Thickness-dependent Morphology and Crystal Structures in Relation to the Electric Properties in Pentacene Thin-film Transistors

Thickness-dependent Morphology and Crystal Structures in Relation to the Electric Properties in Pentacene Thin-film Transistors

Jongwon Park · Yeonsub Lee · Ogsen Galstyan · Nayun Yoo

· Hanju Lee · Sunghoon Jeon · Yongjae Kim · Kiejin Lee ^∗

Department of Physics and Basic Science Institute for Cell Damage Control, Sogang University, Seoul 121-742, Korea

Deokjoon Cha

Department of Physics, Kunsan National University, Kunsan 573-701, Korea (Received 25 September 2014 : revised 7 October 2014 : accepted 7 October 2014)

We fabricated pentacene thin-film transistors (TFTs) with various thicknesses by using a ther- mal evaporation method and analyzed the dependence of the surface morphology, crystallinity and electric properties of the pentacene TFTs on the layer thickness. X-ray diffration measurements indicated that the orthorhombic phase, thin-film phase and triclinic bulk phase appeared, in turn, with increasing pentacene thin-film thickness, which was caused surface polymorph transformations.

We also calculated the threshold voltage and the saturation mobility of the pentacene TFTs and found that they exhibited extreme values at certain thicknesses. While the threshold voltage de- creased below the minimum value, the mobility increased below the maximum value. These results indicated that grain boundaries appear in relatively-thin pentacene layers. The optimum thickness of the pentacene TFTs was found to be 50 nm, and it showed a mobility of 0.16 cm

²

/V·s.

PACS numbers: 73.20.At

Keywords: Pentacene, Organic thin-film transistors, Thermal evaporation method, Morphology

‘

¤B s
ì Å× D; c   \ ¥ – Ö   ï  U c lT c l8 ý { ¢þ { Úz ºU , + s ÇX N ˏ Œ ºÑ ÷  ¹ ÅM X ì Ä — ¤V R Ë

ƒ

‘

š ø ¶ B4 w H · T a : @) כ · Ogsen Galstyan · ­ ¤
a : @ · T  6 Ò® £ · b 9 ) ç 0 å  ·  ™ » ÷ 7 B<  · T M  . > ^∗

"

fy © œ@ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ , " fÖ  ¦ 121-742

%
+ Ö <

ç 

H í ß –@ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ , ç  H í ß – 573-701

(2014¸   9 Z 4 25{ 9  ~ à Î6 £ §, 2014¸   10 Z 4 7{ 9  à º& ñ ‘ : r ~ à Î6 £ §, 2014¸   10 Z 4 7{ 9  > F  S X ‰& ñ )

\ P

 7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O `  ¦ : Ÿ x K   € ª œô  Ç ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •`  ¦ ] j Œ •ô  Ç Ê ê K $ ™ G ' p 8 £ x ¿ ºa \    É r ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ð t

ü <   & ñ $ í , „  l & h  : £ ¤$ í 1 p x`  ¦ ì  r$ 3  % i  . X-ray diffraction 8 £ ¤& ñ   õ  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa  ¿ º 0 >

f ”

\     orthorhombic phase, thin film phase, triclinic bulk phase  Y V– Ð
 z Œ ¤“ ¦, Õ ª\    

³

ð€   — ¸e  ¦ – Ðt       H  כ `  ¦ S X ‰ “  Ù þ ¡ . ¢ ¸ô  Ç K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' _  ë  H) 3  „  · ú š, Ÿ í o s 1 l x • ¸\  ¦ 8

£ ¤& ñ ô  Ç   õ  : £ ¤& ñ ¿ ºa \ " f y Œ •y Œ • F G ° ú כ`  ¦ ° ú   H  כ `  ¦ µ 1 Ï| Ù þ ¡ . F G ° ú כ\  • ¸² ú ˜ l  „   t  ë  H) 3  „  · ú š“ É r

¿

ºa \     y Œ ™™ èô  Ç ì ø ̀  , s 1 l x • ¸  H 7 £ x Ù þ ¡  H X < s   H  © œ@ /& h Ü ¼– Ð · û ª“ É r ¿ ºa \ " f ´ ú §“ É r à º_  Õ ªY U“    â 1083

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any

medium, provided the original work is properly cited.

>

 Ò q tl l  M :ë  H s  . K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' _  þ j& h  o  ) a ¿ ºa   H 50 nm % i “ ¦ €  • 0.16 cm

²

/V·s _  s

1 l x • ¸\  ¦ ˜ Ð% i  .

PACS numbers: 73.20.At

Keywords: K $ ™ G ' p, Ä »l Ó ü t ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' , \ P  7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O , — ¸e  ¦ – Ðt 

I. " e  ] Ø

/

B NÓ  o $ ì  r   Ä »l  ì ø ͕ ¸^ ‰ Ó ü t| 9  ×  æ \ " f, ‰ & ³F  t  



© œ F  g# 3 0 A >  ƒ  ½ ¨ ÷ &# Q M ® o “ ¦ ¸ ú ˜ · ú ˜ 94 R e ”   H Ó ü t| 9 

×

 æ 
  H 1960¸  • ¸\  % ƒ6 £ § ì ø ͕ ¸^ ‰ Ê ê˜ Ð Ó ü t| 9 – Ð ˜ Г ¦  ) a K

$ ™ G ' p (pentacene)s  .  G ' p (acene)Ü ¼– Ð ì  r À Ó÷ &  H K $ ™ 

G ' p“ É r Fig. 1 \ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  5> h_   $ ™H $ ™ “ ¦o  { 9 

§ >

=– Ð ƒ     ) a ½ ¨› ¸\  ¦ s ê  r  . K $ ™ G ' p_  HOMO (highest occupied molecular orbit) \  -t  Y U6 \ š“ É r -5.14 eV, \ 



-t   ½ ™× ¼Ì “ s (E _g )“ É r 1.77 eV s “ ¦ K $ ™ G ' p é ß –  & ñ \ " f ì  r



[ þ t“ É r ƒ  5 Å q& h “   V  + þ AI \  ¦ Õ ªo   H „  + þ A& h “   “K ‰a A‘ : r (harr-ingbone)” + þ AI – Ð Á ú ¢“   . ì  r   ¸ ú ˜ & ñ § > = ) a K $ ™  G '

p ~ à Ì} Œ •\ " f  H edge-to-face  © œ  ñ Œ •6   x s   Œ •l  M :ë  H \  „  

 à º5 Å x s  B Ä º ´ òÖ  ¦& h Ü ¼– Ð s À Ò# Qt “ ¦, ”  / B N 7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ Ód ” 

\

" f ~ 1 >  ] j Œ • 0 p x   [1].

Ã

ºz   ¸  ç ß – s # Q”   ƒ  ½ ¨_  $ í õ – Ð 1990¸  @ / Ê êì ø Í, 0.1

∼ 1 cm ² /V·s order _  s 1 l x • ¸ (mobility)\  ¦ ˜ Ðs   H K $ ™  G '

p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼'  ˜ Г ¦÷ &l  r  Œ •Ù þ ¡  [2,3]. 2000¸  

@

/\  [ þ t # Q“ : r s Ê ê\   H  Ö ¸$ í 8 £ x $ í  © œ\  Ä »o  >  ³ ð€   % ƒ o

  ) a ] X ƒ  ^ ‰ 0 A\  ¸ ú ˜ & ñ § > = ) a K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •`  ¦ + þ A$ í r †   K $ ™ 

G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼'  þ j“ ¦ 5 cm ² /V·s _  s 1 l x • ¸\  ¦ ˜ Ð

%

i “ ¦ [4], 2011¸  \   H e  ¦ 7 ˜" f^  ¦ l ó ø Í`  ¦ s 6   x # Œ 6   xÓ  o / B N

&

ñ Ü ¼– Ð `  ¦ 2 ; z  ´ß ¼ x Ú Ô– Г   (silk fibroin) ] X ƒ  8 £ x 0 A\  \ P  7

£

x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •`  ¦ Á ú ¢  TFT\  ¦ ] j Œ •Ù þ ¡  [5].

s

X O >  ] j Œ •  ) a e  ¦ 7 ˜" f^  ¦ Ä »l Ó ü t ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼'   H þ j

“

¦ 23.2 cm ² /V·s _  s 1 l x • ¸\  ¦ ˜ Ð% i  . þ j   H ˜ Г ¦  ) a K $ ™  G '

p`  ¦  6   x # Œ ] j Œ •ô  Ç € ª œ| 9 _  l l   H { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð 15 - 40 cm ² /V·s# 3 0 A_  „   -H o # Q s 1 l x • ¸\  ¦
 ? / ' ‘ é ß – e  ¦ 7 ˜

"

f^  ¦ „    í ß –\ O \ " f_  Ä »l Ó ü t ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼'   Ö ¸6   x  0

p x$ í `  ¦ ˜ Г   .

Ä

»l Ó ü t ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼'  (OTFTs)_  s 1 l x • ¸  H 8 £ ¤& ñ ½ + É M

:_  “ : r • ¸, ”  / B N • ¸ü < ° ú  “ É r ü @ Ò& h  כ ¹“  \ • ¸ % ò † ¾ Ó`  ¦ ~ à Ît  ë

ß – Ó ü t| 9  ? /_  à Ôê Á œ (traps), Ô  ¦í  HÓ ü t (impurities), ¢ ¸  H Ä » l

Ó ü t| 9 _    & ñ $ í (crystallinity), Õ ªY U“   (grain), Á ú ¢“   ½ ¨

›

¸ (molecular stacking structures) [ þ t õ  ° ú  “ É r ? / Ò& h  כ ¹

“

 \     ß ¼>  ² ú ˜ t >   ) a  .   " f Ä »l Ó ü t ~ à Ì} Œ • à Ô



½ ™t Û ¼' \ " f Ä »l Ó ü t| 9 _    & ñ $ í , Á ú ¢s   H ½ ¨› ¸ 1 p x \   

 É

r — ¸e  ¦ – Ðt  (morphology)    oü < Õ ª\    É r „  l & h  : £ ¤

∗

E-mail: [email protected]

Fig. 1. Molecular structure of pentacene (C 22 H 14 ).

$ í

`  ¦ Ø  æì  r y  s K ô  Ç €   Ä »l Ó ü t ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' \  ¦ s  K

   H X < e ” # Q" f ô  Ç  6 £ §  8
 ° ú ˜ à º e ” `  ¦  כ s  .

‘

: r  7 Hë  H \ " f  H \ P  7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O  (thermal evapora-tion method)`  ¦ : Ÿ x K  5 nm ∼ 260 nm ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •

`

 ¦ ] j Œ • % i  . K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •“ É r ¿ ºa ü < “ : r • ¸\     ² ú ˜  t

  H # Œ Qt    & ñ + þ AI ü < ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ðt \  ¦ ° ú   H   [6–

10]. ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f  H “ : r • ¸\  ¦  © œ“ : r Ü ¼– Ð “ ¦& ñ ô  Ç G  K $ ™ G ' p 8

£

x ¿ ºa \    É r ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ðt ü <   & ñ $ í    oü < Õ ª\   

 É

r „  l & h  : £ ¤$ í `  ¦ ì  r$ 3  % i  .

II. ÷ m Ç ] M ö

Ä

»l  ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼'  (OTFTs) p- { 9 Ü ¼– Ð “ ¦0 l x • ¸

–

Ð • ¸i ç  ) a z  ´o – B H l ó ø Í 0 A\   ) 3  > s à Ô » 1 Ñ † × þ ˜ ½ ¨› ¸ (BGTC) – Ð ] j Œ •÷ &% 3  . > s à Ԗ Ð  6   x ÷ &  H “ ¦0 l x • ¸ • ¸i ç

 )

a z  ´o – B H l ó ø Í 0 A\  200 nm_  SiO 2 (silicon dioxide) 

>

s à Ô ] X ƒ  8 £ x (gate dielectric) Ü ¼– Ð" f  6   x ÷ &% 3  .

l

ó ø ÍÜ ¼– Ð  6   x ÷ &  H SiO 2  `  ¦  9”   z  ´o – B H l ó ø ͓ É r Ä »l  Ó

ü

t ì ø ͕ ¸^ ‰ 8 £ x`  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì l  „   ³ ð€  _  Ô  ¦í  HÓ ü t`  ¦ ] j  l  0

AK  [ j' ‘  õ & ñ `  ¦  ' ¬ I . [ j' ‘  õ & ñ “ É r  [ j— : r (acetone), TFD, NEUT (neutrax), 7 £ x À Óà º, IPA (2-propanol)_  [ j

&

ñ ] j\  ¦  6   x, œ í6 £ §   [ j' ‘ l  (Sae Han Ultrasonic Co., SH-2100)\  ¦ s 6   x # Œ [ j& ñ ] j { © œ y Œ •y Œ • 15ì  rm ”  à º' Ÿ ÷ &% 3 



. [ j' ‘  Ê ê\   H | 9 ™ è Û ¼\  ¦  6   x K " f l ó ø Í\  z Œ ™ e ”   H [

j& ñ ] j\  ¦ 7 £ x µ 1 Ïr (   .



6 £ § Ü ¼– Ð, Ä »l Ó ü t ì ø ͕ ¸^ ‰ 8 £ x Ü ¼– Ð  6   x ÷ &  H K $ ™ G ' p (99% purity, Sigma Aldrich) s  ”  / B N \ P  7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O `  ¦ : Ÿ x K 

∼ 10 ⁻⁶ torr _  “ ¦ ”  / B N,  © œ“ : r \ " f 0.3 ˚ A/s _  5 Å q • ¸– Ð > s  à

Ô ] X ƒ  8 £ x SiO 2 0 A\  7 £ x ‚ à Ì÷ &% 3  . ] j Œ •  ) a K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •_ 

¿

ºa   H 5 nm ∼ 260 nm s  . ¿ ºa \     ² ú ˜ t   H K $ ™ 

G ' p ~ à Ì} Œ •_    & ñ ½ ¨› ¸, ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ðt  (morphology)\  ¦ S X

‰ “   l  0 AK  XRD (X-ray diffraction), AFM (atomic

force microscopy)`  ¦ s 6   x # Œ ¿ ºa  ¿ º 0 >f ” \    

 
  H ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ðt     oü <   & ñ ½ ¨› ¸ç ß –_  › ' a > \ 

@

/K  ì  r$ 3  % i  .

K $

™ G ' p ~ à Ì} Œ •_  — ¸e  ¦ – Ðt ,   & ñ ½ ¨› ¸    oü < à Ô ½ ™t Û ¼ '

_  „  l & h  : £ ¤$ í ç ß –_   © œ › ' a › ' a > \  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 Aô  Ç  € ª œ ô

 Ç ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' \  ¦ ] j Œ • l  0 AK  7 £ x µ

1 Ïô  Ç F K (Au) 70 nm`  ¦ I %• ¸Ä º  Û ¼ß ¼\  ¦ : Ÿ x K  K $ ™ G ' p 8 £ x 0

A\  × ¼Y U“   (drain), ™ èÛ ¼ (source) J ‡  `  ¦ + þ A$ í % i  .

]

j Œ •  ) a OTFT _  G V ,  U  ´s  (length, L)  H 50 µm,  -q  (width, W )  H 1100 µm s  .

Á

ºl Ó ü t ì ø ͕ ¸^ ‰ü < Ä »l Ó ü t ì ø ͕ ¸^ ‰_  H o # Q à º5 Å x B j&  m

7 £ §“ É r  Ø Ôt ë ß –, @ / Òì  r _  ë  H‰  ³\ " f MOSFET (metal- oxide-semiconductor field effect transistor) _  d ” \ " f ë  H )

3

 „  · ú š (threshold voltage, V ^th, ) s 1 l x • ¸ (saturation mo- bilty, µ)\  ¦ • ¸Ø  ¦ ô  Ç . d ”  (1), (2)  H y Œ •y Œ • V ds  ± ú `  ¦ M : I ds  V ^ds \  @ /K  ‚  + þ A& h Ü ¼– Ð 7 £ x    H linear regime õ  V _ds  V gs − V _th ˜ Ð  & | 9  M : I ds  Ÿ í o (saturation)÷ &



 H saturation regime \  @ /ô  Ç d ” `  ¦
  · p  [11].

I _ds,lin = W µ lin C i

L



V _gs − V _th − 1 2 V _D

 V _ds ,

if | V gs − V th |>| V ds | (linear regime) (1)

I _ds,sat = W µ sat C i

2L (V _gs − V _th ) ² ,

if | V gs − V th |<| V ds | (saturation regime) (2) ë

 H) 3 „  · ú š“ É r d ”  (3.2)_  € ª œ  \  À Òà Ô\  ¦ 2 [ô  Ç + ', pI ds,sat

vs. V gs _  Õ ªA á Ô\ " f ‚  + þ A& h  › ' a > \  ¦ ° ú   H ½ ¨ç ß –_  † < Êà º

\

 ¦ x h AK " f Õ ª { 9  † < Êà º_  x] X ¼ # \  K { © œ   H ° ú כ`  ¦ ë  H )

3

„  · ú š V th – Ð & ñ _    H squre-law ~ ½ Ód ” `  ¦  6   x # Œ ½ ¨½ + É Ã

º e ”  . ¢ ¸ô  Ç 0 A_  x h A ) a † < Êà º_  l Ö  ¦ l  q

W µ

_sat

c

_i

2L \  ¦ µ sat – Ð & ñ o  # Œ Ÿ í o s 1 l x • ¸\  ¦ ½ ¨½ + É Ã º e ”  . Ÿ í o s 1 l x

•

¸\  ¦
 ? /  H d ” “ É r  A ü < ° ú   .

µ sat = 2L W C _i

∂pI ds,sat

∂V _gs

! 2

,

if | V gs − V th |<| V ds | (saturation regime) (3)

„

 l & h  : £ ¤$ í “ É r  © œ“ : r, / B N l  ×  æ \ " f Probe station  © œq \  ¦



6   x # Œ 8 £ ¤& ñ % i  .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í ‚ ºÂ ] Ø

¿

ºa \     ² ú ˜ t   H K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •_    & ñ ½ ¨› ¸    o

\

 ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 AK   € ª œô  Ç ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •`  ¦ XRD 8 £ ¤

&

ñ % i  . Figure 2  H 7 nm \ " f 260 nm _  ¿ ºa \  ¦ ° ú 

Fig. 2. (Color online) XRD spectrum of pentacen thin films with different thickness ranging from 7 nm to 260 nm.



 H K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •_  XRD 8 £ ¤& ñ   õ s  . XRD 8 £ ¤& ñ   õ , y

Œ

•y Œ • “orthorhombic phase”, “thin film phase”, “triclinic bulk phase” \  K { © œ÷ &  H (00l ⁰⁰ ), (00l ⁰ ), (00l) peak s 
  z

Œ

¤“ ¦ s  כ “ É r   É r ë  H‰  ³[ þ t õ  { 9 u    H   õ s   [12–16].

K $

™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa \    É r „  ^ ‰& h “   XRD Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 _ 



  o\  ¦ ˜ Ѐ  , 15 nm s  _   © œ@ /& h Ü ¼– Ð · û ª“ É r ~ à Ì} Œ •\ " f



 H orthorhombic phase\  ¦ ˜ Ðs >  ÷ &  H X <, s  M :_  K $ ™  G '

p ~ à Ì} Œ •“ É r   & ñ $ í `  ¦ ß ¼>  s À Òt  3 l w “ ¦  © œ{ © œy  Ô  ¦ ½ ©g Ë :

&

h “   $ í  © œ`  ¦ ô  Ç  כ `  ¦ · ú ˜ à º e ”  .

s

Ê ê, 15 ∼ 30 nm  s \ " f  H   & ñ $ í s  † ¾ Ó © œ÷ &€  " f orthorhombic phase  H   t “ ¦ thin film phase
 

>  ÷ &“ ¦ ¿ ºa  ¿ º 0 >f ” \     thin film phase  H €  • K

t €  " f 50 nm Â Ò   H \ " f
 è ß – triclinic bulk phase

&

h

& h  Ä º[ jK t   H  ⠆ ¾ Ó`  ¦ ˜ Г   . Figure 3“ É r s  Qô  Ç   



o\  ¦ S X ‰ @ /  ) a XRD Û ¼& 7 ˜à Ô! 3 `  ¦ : Ÿ x K  ˜ Ð# Œï  r  .

XRD \ " f
 è ß – (00l)    ¨ î €   (l = 1 − 4) \ " f ½ ¨ ô

 Ç d _00l ° ú כ“ É r y Œ •y Œ • triclinic bulk phase, thin film phase, orthorhombic phase \  @ /K  1.43, 1.53, 1.56 nm – Ð, K $ ™  G '

p ì  r  _  |   » ¡ ¤ s  l ó ø Íõ  à ºf ” ô  Ç ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð 8 £ x8 £ x s  Á ú ¢% i 



  H  כ `  ¦
  · p . z  ´+ « >`  ¦ : Ÿ x K  % 3 # Q”   d _00l ° ú כ“ É r   É r ë

 H‰  ³[ þ t õ   _  { 9 u Ù þ ¡  [13,14,17,18].

K $

™ G ' p_  ì  r   U  ´s   H 1.61 nm s l  M :ë  H \  > í ß –`  ¦ : Ÿ x K

 ì  r  _  |   » ¡ ¤ s  l ó ø Íõ  à ºf ” ô  Ç ~ ½ ӆ ¾ Ó\  @ /K  l Ö  ¦ # Q”   y

Œ

•• ¸ θ ^tilt ° ú כ`  ¦ > í ß –½ + É Ã º e ”  .

1.61nm d 00l

= cos θ tilt (4)

θ _tilt = cos ⁻¹ 1.61nm

d _00l (5) d ”

 (4), (5)\  ¦ : Ÿ x K  > í ß –  ) a ¨ î ç  H θ tilt _  ° ú כ“ É r orthorhombic

phase, thin film phase, triclinic bulk phase \  @ /K  y Œ •y Œ •

Fig. 3. (Color online) Magnified XRD spectra with in- creasing film thickness : (a) improvement on crystallinity with increasing thickness ranging from 7 nm to 30 nm, (b) phase transformation from orthorhombic phase to thin film phase with increasing thickness ranging from 7 nm to 50 nm, (c) phase transformation from thin film phase to triclinic bulk phase with increasing thickness ranging from 90 nm to 260 nm.

15.3, 19.4, 27.7 ^◦ – Ð, ~ à Ì} Œ • ¿ ºa  ¿ º 0 >f ” \     ì  r   _

 |   » ¡ ¤ s  l ó ø Íõ  à ºf ” ô  Ç » ¡ ¤ \  @ /K  & h & h   8 l Ö  ¦ # Q”  



  H  כ `  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  . ~ à Ì} Œ • ¿ ºa \    É r θ tilt › ' a >  Õ

ªA á ԍ  H Fig. 4, thin film phase ü < bulk phase_  q   H Fig. 5 \ " f ^  ¦ à º e ”  .

K $

™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa  ¿ º 0 >f ” \          H K $ ™ G ' p

³

ð€  _   © œI \  ¦ ì  r$ 3  l  0 AK " f AFM`  ¦ s 6   x # Œ  € ª œ ô

 Ç ¿ ºa _  ~ à Ì} Œ •`  ¦ s p f ç % i  . Figure 6“ É r 5 nm  Ò' 

Fig. 4. (Color online) Tilt angle (θ tilt ) with various thick- ness.

Fig. 5. Bulk phase/thin film phase ratio with increasing thickness.

260 nm  t _  ¿ ºa \  ¦ ° ú   H K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •_  AFM s p t  s

 .

30 nm s   ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •“ É r  Œ •“ ¦ Ñ ü æ  H — ¸€ ª œ_  Õ

ªY U“  `  ¦ + þ A$ í  9 ¿ ºa  ¿ º 0 >| 9 à º2 Ÿ ¤ Õ ªY U“   ß ¼l 

&

”   . s M :  H Õ ªY U“   ß ¼l   Œ •l  M :ë  H \  Õ ªY U“    â

>

  © œ@ /& h Ü ¼– Ð B Ä º ´ ú §“ É r  כ `  ¦ ^  ¦ à º e ”  . triclinic bulk phase 
 
l  r  Œ •   H 50 nm ¿ ºa _  ~ à Ì} Œ •Â Ò '

 Õ ªY U“    s _  Ì “ s`  ¦ B jÄ ºl  r  Œ • €  " f Õ ª 0 A– Ð ß ¼l 

  H  y Œ •+ þ A — ¸€ ª œ_  Õ ªY U“  `  ¦ + þ A$ í l  r  Œ •ô  Ç . s Ê ê



y Œ •+ þ A — ¸€ ª œ_  Õ ªY U“  s  > 5 Å q + þ A$ í ÷ &  H  כ õ  XRD 8 £ ¤& ñ

 

õ \  ¦ ‚ à Г ¦ €    y Œ •+ þ A — ¸€ ª œ_  Õ ªY U“  “ É r triclinic bulk phase õ  ƒ  › ' a s  e ”    H  כ `  ¦ Æ Ò8 £ ¤ ½ + É Ã º e ”  . orthorhom- bic phase  + þ A$ í ÷ &  H 15 nm ¿ ºa  s  _  ~ à Ì} Œ •\ " f  H K $ ™ 

G ' p ì  r  8 £ x s  l ó ø Í_  à ºf ” ô  Ç » ¡ ¤ \  @ /K   © œ  Œ •“ É r y Œ •• ¸

\

 ¦ ° ú l  M :ë  H \  ¶ ð7 á ¤ ô  Ç — ¸€ ª œ_  Õ ªY U“  `  ¦ + þ A$ í “ ¦ Õ ªY U

“

  ß ¼l • ¸  © œ  Œ • . 15 nm ¿ ºa  s Ê ê Ò'   H thin film phase  + þ A$ í ÷ & 9 Õ ª y Œ •• ¸  8 & t l  M :ë  H \  Õ ªY U“   ß

¼l • ¸ & t “ ¦ ¶ ð7 á ¤ l  ˜ Ð   H Ñ ü æ  H Õ ªY U“  `  ¦ + þ A$ í ô  Ç

Fig. 6. (Color online) AFM images of pentacen thin films with different thickness : (a) 5 nm, (b) 10 nm, (c) 30 nm, (d) 50 nm, (e) 70 nm, (f) 90 nm, (g) 150 nm, (h) 210 nm, (i) 260 nm.



. 50 nm s Ê ê ¿ ºa Â Ò'   H bulk phase  Ä º[ jK t €  " f

€



• 27.7 ^◦ _  y Œ •• ¸– Ð ´ ú §s  ¾ º0 >" f Á ú ¢s l  M :ë  H \  Õ ªY U“   ß

¼l   8 & t >   ) a  .

XRD ü < AFM X <s ' \  ¦ q “ §K ˜ Ѐ  , K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •_  + þ A

$ í

õ & ñ `  ¦ Æ Ò8 £ ¤ K  ^  ¦ à º e ”  . B Ä º · û ª“ É r ¿ ºa \ " f K $ ™  G '

p ì  r  8 £ x“ É r orthorhombic phase – Ð l ó ø Í\  @ /K  à ºf ”  

>

 ¶ ð7 á ¤ “ ¦  Œ •“ É r Õ ªY U“  `  ¦ + þ A$ í €  " f Á ú ¢s “ ¦ Õ ª 0 A\  thin film phase – Ð €  •ç ß –  8 ß ¼“ ¦ Ñ ü æ  H Õ ªY U“  `  ¦ + þ A$ í €  

"

f Á ú ¢“   . ì  r  8 £ x s  & h & h  ¿ º' 0 >t “ ¦ l ó ø Ís  K $ ™ G ' p 8 £ x Ü

¼– Ð W = s >  ÷ &€   Õ ª 0 A– Ð ì  r  8 £ x s  ¾ ºî  r + þ AI “   triclinic bulk phase – Ð ß ¼l  & ”   Õ ªY U“  `  ¦ + þ A$ í €  " f 7 £ x ‚ Ã Ì  ) a



.



6 £ § Ü ¼– Ð, K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa \    É r à Ô ½ ™t Û ¼' _  „   l

& h  : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  . Figure 7“ É r K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa 

\

   É r K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' _  ë  H) 3  „  · ú š`  ¦
 ? /



 H Õ ªA á Ôs  . ¿ ºa \    " f TFT_  ë  H) 3  „  · ú š“ É r & h & h  y

Œ

™™ è   150 nm ¿ ºa \ " f Ò'   r  7 £ x  l  r  Œ • ô

 Ç . s ü < ° ú  “ É r  ⠆ ¾ Ó$ í “ É r OTFT \ " f / B N: Ÿ x& h Ü ¼– Ð
 

  H  כ s “ ¦ F G ° ú כ`  ¦
 ? /  H “ ¦Ä » ¿ ºa   H 7 £ x ‚ Ã Ì 5 Å q • ¸\ 



  ² ú ˜ t >   ) a  .

ë

 H) 3  „  · ú šs  Fig. 7õ  ° ú  “ É r € ª œ © œÜ ¼– Ð ¿ ºa \  _ ” > r   H s

Ä »  H Õ ªY U“    â > \  ” > r F    H „    H o # Q\  ¦ · ¡ ­ ¸ ú š  H à

Ôê Á œ M :ë  H Ü ¼– Ð ^  ¦ à º e ”  . ¿ ºa \    É r K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •_  AFM s p t \  ¦ ˜ Ð>  ÷ &€    © œ@ /& h Ü ¼– Ð · û ª“ É r ~ à Ì} Œ •\ " f  H Õ

ªY U“  s   Œ •>  + þ A$ í ÷ &€  " f Õ ªY U“    s , Ì “ s_  x 9 • ¸ Z  }



. Õ ªY U“    â > \ " f  H „    H o # Q\  ¦ ¿ º  H à Ôê Á œs  ” > r F

 l  M :ë  H \  TFT ™ è \  „  À Ó â ìØ Ôl  0 AK " f  H à Ô

Fig. 7. (Color online) The threshold voltage of TFTs with increasing pentacene thickness.

Fig. 8. (Color online) The mobility of TFTs with in- creasing pentacene thickness.

ê Á

œ`  ¦ H o # Q– Ð — ¸¿ º G 0 >  l  M :ë  H \  à Ôê Á œs  ´ ú §`  ¦ à º 2

Ÿ

¤ ë  H) 3  „  · ú šs  Z  }  ”   .   " f ¿ ºa  ¿ º 0 >t €  " f Õ

ªY U“    s _  Ì “ ss  G 0 >t €  " f à Ôê Á œs  ×  ¦ # Q[ þ t “ ¦, Õ ª\ 



  ë  H) 3  „  · ú šs  ± ú  ”   . Ì “ s[ þ t s  G 0 >t €  " f ë  H) 3 „  

· ú

š\  p u   H % ò † ¾ Ós  à Ôê Á œ\  _ ô  Ç ´ òõ  ˜ Ð  ¿ ºa \    É r

´

òõ   8 & t >   ) a  . TFT ™ è \  Ÿ í o „  À Ó â ìØ Ô 9

€

  ™ èÛ ¼ „  F G õ  K $ ™ G ' p  s  ] X 8 ú ¤€  \ " f ´ òÖ  ¦& h Ü ¼– Ð H  o

# Q_  Å Ò{ 9 s  s À Ò# Q4 R  ô  Ç . s  H o # Q_  Å Ò{ 9 “ É r ] X  8

ú ¤€  \ " f_  „  l  © œ\  ß ¼>  % ò † ¾ Ó`  ¦ ~ à Î>  ÷ &  H X < [19], ¿ º a

 ¿ º Ö  ¦ à º2 Ÿ ¤ ´ òÖ  ¦& h Ü ¼– Ð H o # Q_  Å Ò{ 9 s  { 9 # Q
> 

  H „  · ú šs  & t Ù ¼– Ð ë  H) 3  „  · ú šs  & t >   ) a  .   " f :

£ ¤& ñ ¿ ºa  s Ê ê\   H  r  ¿ ºa  ¿ º 0 >| 9  à º2 Ÿ ¤ ë  H) 3  „  

· ú

šs  Z  }  t   H — ¸_ þ v`  ¦ ^  ¦ à º e ”  .

Figure 8“ É r K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa \    É r K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •à Ô ½ ™ t

Û ¼' _  s 1 l x • ¸\  ¦
 ? /  H Õ ªA á Ôs  . s 1 l x • ¸ ¢ ¸ô  Ç ë

 H) 3  „  · ú šõ  q 5 p w >  : £ ¤& ñ ¿ ºa \ " f F G ° ú כ`  ¦ ° ú   H — ¸_ þ v

`

 ¦ ˜ Г   . s  % i r  ¿ ºa \    É r Õ ªY U“    â >  x 9 • ¸– Ð [ O 

"

î ½ + É Ã º e ”  . Õ ªY U“    s _  Ì “ s“ É r Õ ªY U“    â > \ " f H 

o

# Q í ß –ê ø Í`  ¦ ë ß –[ þ t # Q? /l  M :ë  H \  s 1 l x • ¸ y Œ ™™ è >   ) a



 [20]. AFM s p t \ " f ^  ¦ à º e ” 1 p w s  ~ à Ì} Œ •s  ¿ º 0 >

t

€  " f s  Qô  Ç Ì “ s“ É r G 0 >t l  M :ë  H \ , ~ à Ì} Œ • ¿ ºa  ¿ º  0

>| 9 à º2 Ÿ ¤ s 1 l x • ¸• ¸ 7 £ x  >   ) a  . : £ ¤& ñ ¿ ºa ˜ Ð  ~ à Ì} Œ • s

 ¿ º 0 >t €    r  s 1 l x • ¸ y Œ ™™ è >   ) a  . s   H, { 9  é

ß – Ì “ s[ þ t s    G 0 >t >  ÷ &€   Õ ª s Ê ê_  ¿ ºa \ " f  H Ì “ ss  G

0 >t €  " f s 1 l x • ¸ 7 £ x    H ´ òõ   H p q ô  Ç @ /’  , ~ Ã Ì }

Œ

•s  ¿ º 0 >t €  " f H o # Q ´ òÖ  ¦& h Ü ¼– Ð s 1 l x t  3 l w  l

 M :ë  H s   [19].

 

õ & h Ü ¼– Ð, s 1 l x • ¸ë ß –`  ¦ “ ¦ 9Ù þ ¡`  ¦ M : 0.3 ˚ A/s _  5 Å q • ¸

–

Ð  © œ“ : r \ " f 7 £ x ‚ à Ìô  Ç K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' _  þ j& h  o

 )

a ¿ ºa   H €  • 50 nm % i “ ¦, €  • 0.16 cm ² /V·s _  s 1 l x • ¸\  ¦

˜ Ð% i  .

IV. + s Ç Â ] Ø

\ P

 7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O `  ¦ : Ÿ x K   € ª œô  Ç ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ •`  ¦ ] j



Œ

•ô  Ç Ê ê K $ ™ G ' p 8 £ x ¿ ºa \    É r ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ðt ü <   & ñ $ í ,

„

 l & h  : £ ¤$ í 1 p x`  ¦ ì  r$ 3  % i  .

XRD 8 £ ¤& ñ   õ  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • ¿ ºa  ¿ º 0 >f ” \     orthorhombic phase, thin film phase, triclinic bulk phase

 Y V– Ð
 z Œ ¤“ ¦, Õ ª\     l ó ø Í_  à ºf ” ô  Ç » ¡ ¤ \  @ / K

 & h & h   8 l Ö  ¦ # Q4 R Á ú ¢s l  M :ë  H \  Õ ªY U“   ß ¼l  & t 

“

¦ Õ ªY U“    â >  x 9 • ¸ ± ú  t   H 1 p x ³ ð€   — ¸e  ¦ – Ðt    

  H  כ `  ¦ S X ‰ “  Ù þ ¡ .

¢

¸ô  Ç  € ª œô  Ç ¿ ºa _  K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' \  ¦ ] j Œ •

# Œ ë  H) 3  „  · ú š, Ÿ í o s 1 l x • ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ ô  Ç   õ , : £ ¤& ñ ¿ ºa 

\

" f F G ° ú כ`  ¦ ° ú   H  כ `  ¦ µ 1 Ï| Ù þ ¡ . F G ° ú כ\  • ¸² ú ˜ l  „    t

 ë  H) 3  „  · ú š“ É r ¿ ºa \     y Œ ™™ èô  Ç ì ø ̀  , s 1 l x • ¸  H 7 £ x

Ù þ ¡  H X < s   H  © œ@ /& h Ü ¼– Ð · û ª“ É r ¿ ºa \ " f H o # Q\  ¦ 

¿

º  H à Ôê Á œ_  x 9 • ¸ ß ¼“ ¦, ¿ ºa  ¿ º 0 >f ” \     à Ôê Á œ s

 G 0 >t   H ´ òõ \  ¦ ì ø Í% ò ô  Ç  כ Ü ¼– Ð Ò q ty Œ •  ) a  .

s

1 l x • ¸\  ¦ “ ¦ 9Ù þ ¡`  ¦ M :,  © œ“ : r \ " f 0.3 ˚ A/s _  5 Å q • ¸– Ð 7 £ x

‚ Ã

Ìô  Ç K $ ™ G ' p ~ à Ì} Œ • à Ô ½ ™t Û ¼' _  þ j& h  o  ) a ¿ ºa   H 50 nm

%

i “ ¦, €  • 0.16 cm ² /V·s _  s 1 l x • ¸\  ¦ ˜ Ð% i  .

P

c p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r 2009¸  • ¸ " fy © œ@ /† < Ɠ § “ §? /ƒ  ½ ¨q , 2014¸  

•

¸ & ñ Â Ò (“ §¹ ¢ ¤  Ò)_  F " é ¶ Ü ¼– Ð ô  Dz D Gƒ  ½ ¨F é ß –_  t " é ¶`  ¦ ~ à Î



 à º' Ÿ  ) a l œ íƒ  ½ ¨ \ O e ”  (2014R1A1A2A16055772).

REFERENCES

[1] W. Hu, Organic Optoelectronics (Wiley-VCH, Wein- heim, 2013), p. 51.

[2] C. D. Dimitrakopoulos, S. Purushothaman, J.

Kymissis, A. Callegari and J. M. Shaw, Science 283, 822 (1999).

[3] Y. -Y. Lin, D. J. Gundlach, S. F. Nelson and T.

N. Jackson, IEEE Electron. Device Lett. 18, 606 (1997).

[4] T. W. Kelley, D. V. Muyres, P. F. Baude, T. P.

Smith and T. D. Jones, MRS Proc. 771, 169 (2003).

[5] C. -H. Wang, C. -Y. Hsieh and J. -C. Hwang, Adv.

Mater. 23, 1630 (2011).

[6] T. Minakata, H. Imai and M. Ozaki, J. Appl. Phys.

72, 5220 (1992).

[7] C. D. Dimitrakopoulos, A. R. Brown and A. Pomp, J. Appl. Phys. 80, 2501 (1996).

[8] T. Jentzsch, H. J. Juepner, K. -W. Brzezinka and A. Lau, Thin Solid Films 315, 273 (1998).

[9] I. P. M. Bouchoms, W. A. Schoonveld, J. Vrijmoeth and T. M. Klapwijk, Synth. Met. 104, 175 (1999).

[10] H. Yanagisawa, T. Tamaki, M. Nakamura and K.

Kudo, Thin Solid Films 464-465, 398 (2004).

[11] Y.-W. Wang and H.-L. Cheng, Solid-State Electron.

53, 1107 (2009).

[12] T. Minakata, H. Imai and M. Ozaki, J. Appl. Phys.

72, 5221 (1992).

[13] C. D. Dimitrakopoulos, A. R. Brown and A. Pomp, J. Appl. Phys. 80, 2503 (1996).

[14] T. Jentzsch, H. J. Juepner, K. -W. Brzezinka and A. Lau, Thin Solid Films 315, 276 (1998).

[15] I. P. M. Bouchoms, W. A. Schoonveld, J. Vrijmoeth and T. M. Klapwijk, Synth. Met. 104, 176 (1999).

[16] H.-L. Cheng, Y.-S. Mai, W.-Y. Chou, L.-R. Chang and X.-W. Liang, Adv. Funct. Mater. 17, 3639 (2007).

[17] C. C. Mattheus, A. B. Dros, J. Baas, G. T. Ooster- getel and A. Meetsma et al., Synth. Met. 138, 475 (2003).

[18] C. C. Mattheus, G. A. de Wijs, R. A. de Groot and T. T. M. Palstra, J. Am. Chem. Soc. 125, 6323 (2003).

[19] M.-W. Lee and C.-K. Song, J. Korean Phys. Soc.

47, 111 (2005).

[20] H. Nussbaumer, F. P. Baumgartner, G. Willeke and

E. Bucher, J. Appl. Phys. 83, 292 (1998).