Transistor de base metálica e transistor de válvula de spin híbridos orgânico/inorgânico

Abstract

Resumo: Na tentativa de facilitar os processos de fabricação de dispositivos e, principalmente, diminuir custos de produção, muito se tem feito para estender a eletrônica de estado sólido para além dos tradicionais dispositivos inorgânicos monocristalinos. Isso pode ser observado na variedade de publicações sobre dispositivos totalmente orgânicos e híbridos, que fazem uso simultâneo de materiais orgânicos e inorgânicos, e no envolvimento de grandes empresas, como a IBM e a Kodak, nessa busca. Dispositivos como diodos emissores de luz, transistores de efeito de campo e fotodetectores, são produzidos em laboratórios ao redor do mundo há mais de dez anos e alguns resultados de todo esse esforço já são comercializados. Todo esse investimento decorre da fácil processabilidade e do baixo custo que esta nova opção apresenta. Sob este estímulo, tentamos, através deste trabalho, dar uma contribuição que, esperamos, seja significativa, para esta área que se encontra em processo de expansão. O presente trabalho tem como objetivo produzir transistores de base metálica e transistores de válvula de spin híbridos, isto é, usar materiais orgânicos e inorgânicos na sua confecção. Quando se trata de transistores completamente inorgânicos, estes dispositivos podem ser descritos, de forma simplificada, como duas junções Schottky numa estrutura semicondutor inorgânico/metal/semicondutor inorgânico. O processo de injeção de carga nestes dispositivos ocorre por emissão termiônica sobre a barreira formada na interface semicondutor/metal. Nesses dispositivos completamente inorgânicos, a maior dificuldade encontra-se na necessidade de redes cristalinas com alto grau de perfeição e interfaces altamente compatíveis, de modo a reduzir o espalhamento que limita o desempenho desses dispositivos. Os métodos existentes para sua produção são tecnologicamente sofisticados e envolvem ultra-alto vácuo e/ou temperaturas elevadas. Sendo a deposição dos filmes orgânicos muito mais simples, a substituição do semicondutor inorgânico por um orgânico, na junção semicondutor/metal, facilita a etapa mais difícil, que é a deposição do semicondutor sobre o metal. O desenvolvimento do trabalho teve início com a busca do material orgânico mais adequado para ser usado como emissor, busca que mostrou ser a etapa mais difícil. Depois de várias tentativas frustradas de usar polímeros e blendas, os materiais com os quais foi possível obter os resultados apresentados são duas moléculas orgânicas, C60 e Alq3. Ambas moléculas são reconhecidamente boas transportadoras de elétrons, possuindo níveis de energia adequados para injeção dos mesmos através da interface. Nos transistores de válvula de spin, após diversas tentativas infrutíferas de usar válvulas crescidas por epitaxia por feixe molecular (MBE – molecular beam epitaxy), a multicamada magnética foi substituída por uma crescida eletroquimicamente, a qual apresenta a vantagem de poder ser feita em uma solução única, a temperatura ambiente e sem a necessidade de alto vácuo. Alguns pontos críticos, porém, existem nesses sistemas, como por exemplo, a forte dependência da eficiência do dispositivo com as espessuras da camada metálica e da camada orgânica, de forma que a ênfase deste trabalho será em mostrar a viabilidade desses dispositivos híbridos, mostrando que a substituição do emissor inorgânico pelo orgânico, não é apenas possível, como também pode ser bastante eficiente quando otimizada.

Abstract: In an attempt to facilitate device fabrication processes and mostly reduce production costs, a lot of work has been done to develop the solid state electronics beyond the traditional monocrystalline inorganic devices. That can be observed in the variety of publications on totally organic devices or hybrids, which make simultaneous use of organic and inorganic materials and in the large interest of industries as IBM, Kodak, etc. Devices like light-emitting diodes, field effect transistors and photo detectors have been produced in laboratories around the world over ten years and some of the results achieved so far are already commercially available. All those inversions result from the easy processability and the low cost that this new option offers. Under that stimulus an attempt is made through this work to give a contribution that might be hopefully significant to this area that is truly in an expansion process. The present work has as purpose the fabrication of hybrid metal-base and spin-valve transistors, i. e., make use of organic and inorganic materials in its fabrication. In a simplified way the totally inorganic transistors can be described as two Schottky junctions in an inorganic semiconductor/metal/inorganic semiconductor structure. The charge injection process in those devices occurs via thermionic emission over the Schottky semiconductor/metal interface. In those devices the major difficulties appear in the necessity in using crystalline nets with a high degree of perfection and highly compatible interfaces, which reduces the scattering that limits devices performance. The methods available for its production are technologically sophisticated and involve ultrahigh vaccum and/or high temperatures. As the deposition of organic materials is much simpler, the substitution of the inorganic semiconductor for an organic one in the semiconductor/metal junction turns easier the most difficult step, which is the semiconductor deposition on top of the metal. After some frustrating efforts to use polymer blends, the organic materials that finally lead to good results were two organic molecules, C60 and Alq3. Both molecules are recognized as good electrons transporters and present adequate energy levels for electrons injection through the interface. In the spin-valve transistors after a lot of unfruitful attempts to use valves grown by molecular beam epitaxy (MBE) the magnetic multilayer was substituted by an multilayer electrochemically grown, which offers the advantage of being possible to realize in an only solution at room temperature and in the absence of ultrahigh vacuum. Some critical points, however, exist in these systems. For example, the strong dependence of device efficiency with the thickness of the organic and the metal layer. In this way, the emphasis of this work will be in showing the viability of these hybrid devices, showing that the substitution of the inorganic emitter by an organic one is not only possible but can be very efficient when the system is optimized.