Transistores orgânicos por efeito de campo: mapeamento do campo elétrico no dispositivo e uso de monocamadas automontadas para melhorar seu desempenho

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Sousa, Marcos da Silva
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Eletrônica orgânica; Field-effect transistors; Geração de soma de frequências; Monocamadas automontadas; Nonlinear optics; Óptica não linear; Organic electronics; Self-assembled monolayers; Sum-frequency generation; Transistores por efeito de campo
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-15052025-092053/

Os transistores são o alicerce da eletrônica tradicional, enquanto os transistores orgânicos por efeito de campo (OFETs) desempenham um papel semelhante na eletrônica orgânica, com potencial para viabilizar aplicações anteriormente inviáveis com materiais inorgânicos. O desempenho dos OFETs depende fortemente da distribuição do campo elétrico na camada dielétrica e das propriedades das interfaces. Compreender esses aspectos é essencial para otimizar a performance dos dispositivos, uma vez que a distribuição do campo influencia diretamente a acumulação de portadores no canal condutor, localizado na interface dielétrico/semicondutor. Na primeira parte deste estudo, OFETs baseados no semicondutor orgânico P3HT e no dielétrico polar PMMA foram fabricados e caracterizados, apresentando parâmetros elétricos consistentes com os da literatura. Utilizando espectroscopia vibracional por geração de soma de frequências (SFG), analisamos a distribuição do campo elétrico na camada dielétrica durante a operação do dispositivo. Espectros SFG das vibrações do grupo C=O no PMMA demonstraram uma relação linear entre a amplitude do sinal e a tensão de porta aplicada, atribuída ao alinhamento preferencial dos dipolos do isolante. As imagens de SFG revelaram inhomogeneidades no sinal, indicando a presença de traps no semicondutor. Além disso, os padrões médios de intensidade apresentaram consistência parcial com os modelos teóricos de aproximação do canal gradual e de Schmechel et al., sugerindo inversão de carga em um ponto específico do canal. Além disso, os dois picos de ressonância da carbonila no PMMA ocorrem sempre simultaneamente ao longo do canal, oferecendo uma nova perspectiva sobre sua origem. Na segunda parte, investigamos o impacto no desempenho dos OFETs de monocamadas automontadas (SAMs) na interface dielétrico-semicondutor. Monocamadas altamente compactadas, como o ODPA, promoveram a cristalização natural do semicondutor, resultando em altas mobilidades e excelente estabilidade operacional de OFETs baseados em P3HT, enquanto com semicondutores de cadeias laterais longas, o efeito da funcionalização do dielétrico foi menor. Por outro lado, monocamadas moderadamente compactadas, como o DOAB, permitiram interações mais eficazes com semicondutores de cadeias longas, resultando em melhorias expressivas em parâmetros como a razão on/off, que foi 37 vezes maior que a obtida com ODPA. Em contraste, monocamadas mais desordenadas, como as do CTAB, levaram a desempenhos inferiores ou similares aos dos dispositivos sem SAMs. Esses resultados destacam a importância da engenharia interfacial para explorar a sinergia entre as características das SAMs e as propriedades dos semicondutores, ampliando as possibilidades de otimização de OFETs. Combinando espectroscopia altamente sensível às interfaces e à orientação de grupos polares com estratégias de engenharia interfacial, este estudo contribui para o avanço da eletrônica orgânica, ampliando o entendimento do funcionamento de OFETs e oferecendo novas perspectivas para o projeto de transistores mais eficientes e estáveis, com aplicações potenciais em diversas áreas tecnológicas.