Optimization and Theoretical Investigation of Charge Transport in Polymer-sorted Single-walled Carbon Nanotube Networks

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2018-02-27
Issue Year
2018
Authors
Schießl, Stefan Patrick
Editor
Abstract

Because of their outstanding mechanical and electronic properties, single-walled carbon nanotube networks are potential candidates for the application in flexible and stretchable electronics. However, the as-produced nanotube raw material usually contains a mixture of metallic and semiconducting nanotubes. This requires purification techniques, which, so far, provide either high yield or high selectivity. One of these methods is the selective dispersion of carbon nanotubes in organic solvents with conjugated polymers. Using a low molecular weight polyfluorene derivative in combination with plasma-torch grown carbon nanotubes leads to both high yield and selectivity towards semiconducting species. Field effect transistors with networks of those tubes as the active layer exhibit high mobilities, while maintaining high on/off ratios. These values were mutually exclusive so far due to metallic nanotube residues.

For the implementation of carbon nanotubes in portable devices, low operating voltages are required, which are achieved by following novel hybrid dielectric approaches. While single layer dielectrics suffer from certain insufficiencies, a polymer/metal-oxide layered hybrid in top-gated transistor architectures allows for low operating voltages and other benefits, such as low trap density and inherent encapsulation effect in ambient conditions. In bottom-gated devices, self-assembled monolayer dielectrics provide a unique platform to establish low voltage devices. These structures enable the device geometry to be miniaturized down to less than 2 μm short channels, while not being limited by the contact resistance of the electrodes.

Given the progress in the isolation of (mono-chiral) semiconducting nanotube species, new questions about the charge transport and its limitations within networks consisting of those nanotubes arise. Possible optimization points for the performance are, e.g. the (chiral) composition or parameters, such as nanotube length (distribution) and density. Experimental findings reveal a saturation of the film conductance for nanotube densities exceeding 15 per μm. But to cover the whole range of parameters, theoretical investigations are necessary. For this purpose, a hopping model developed for conventional disordered systems is modified to simulate the charge carrier density dependent properties of various nanotube networks. The agreement of experimental and simulated data for various networks demonstrates the good applicability of the model.

Abstract

Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften gelten Netzwerke aus einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen als potentielle Kandidaten für die Anwendung in flexibler und dehnbarer Elektronik. Da Syntheseverfahren üblicherweise jedoch eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Nanoröhren erzeugen, sind Aufreinigungsverfahren zu deren Trennung notwendig. Diese zeigen in der Regel entweder hohe Ausbeuten oder hohe Selektivitäten bezüglich halbleitender Röhren. Eine dieser Methoden ist die selektive Dispersion von Kohlenstoffnanoröhrchen in organischen Lösungsmitteln mittels konjugierter Polymere. Bei der Kombination von Nanoröhren, die mittels Plasmabrenner hergestellt wurden, und niedermolekularen Polyfluorenderivaten, lassen sich sowohl hohe Ausbeuten, als auch hohe Selektivitäten erreichen. Feldeffekttransistoren auf Basis von Netzwerken dieser Nanoröhren weisen zugleich hohe Mobilitäten und an/aus Verhältnisse auf - Eigenschaften, welche bisher aufgrund von Rückständen metallischer Sorten nicht gleichzeitig möglich waren.

Für den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhrchen in tragbaren Geräten werden niedrige Betriebsspannungen benötigt. Während konventionelle Dielektrika unter gewissen Problemen leiden, können niedrige Spannungen über den Einsatz neuartiger Hybriddielektrika erreicht werden. Polymer/Metalloxid Schichtdielektrika in Transistoren mit oben liegendem Gatter arbeiten beispielsweise bei niedrigen Spannungen und bringen gleichzeitig Vorteile, wie niedrige Defektdichten oder inhärente Bauteilverkapselung mit sich. Für Bauteile mit unten liegendem Gatter, bieten sich selbstorganisierte Monolagen an um niedrige Arbeitsspannungen zu erreichen. Mit deren Hilfe lassen sich zudem die Bauteilgeometrien miniaturisieren, hin zu Kanallängen kleiner 2 μm, ohne durch Kontaktwiderstandseffekte limitiert zu sein.

Die immer besser werdenden Separationsmethoden, hin zu (monochiralen) halbleitenden Nanoröhren, werfen neue Fragen bezüglich des Ladungstransports und dessen Grenzen in Nanoröhrchen-Netzwerken auf. Mögliche Stellschrauben zur Leistungssteigerung bieten hierbei die Netzwerkzusammensetzung, aber auch die geometrischen Eigenschaften der Nanoröhrchen, wie z.B. deren Länge(nverteilung) und die Netzwerkdichte. Experimentelle Befunde zeigen beispielsweise eine Sättigung der Leitfähigkeit von Netzwerken bei Dichten ab 15 pro µm. Um jedoch den Einfluss aller Parameter vorherzusagen, sind theoretische Untersuchungen unabdingbar. Hierzu wurde ein Hopping-Transport Model, welches für konventionelle, ungeordnete Halbleiter entwickelt wurde, angepasst um die ladungsträgerdichteabhängigen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen-Netzwerken zu simulieren. Die Übereinstimmung von experimentellen und simulierten Ergebnissen verschiedenster Netzwerke demonstriert die Anwendbarkeit des Models.

DOI
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