EOSEOS E O S Elettronica Organica per Strumentazione Innovativa di Ricerca Alberto Aloisio Univ. di Napoli Federico II e INFN Antonio Cassinese Univ. di.

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1 EOSEOS E O S Elettronica Organica per Strumentazione Innovativa di Ricerca Alberto Aloisio Univ. di Napoli Federico II e INFN Antonio Cassinese Univ. di Napoli Federico II e CNR CdS - 3 luglio 20141

2 Sommario Il Progetto Premiale EOS Il programma scientifico L’iter Ministeriale Sigla e anagrafica Le richieste ai Servizi Conclusioni CdS - 3 luglio 20142

3 Scheda del progetto EOS: Elettronica Organica per Strumentazione Innovativa di Ricerca Responsabile di Progetto: Alberto Aloisio – Universita’ di Napoli ‘Federico II’ e INFN Responsabile Scientifico:Antonio Cassinese – Universita’ di Napoli ‘Federico II’ e CNR Ambito di Intervento:ICT e Dispositivi Sensoriali Ambito di Progetti ERC:Physical Science and Engineering (PE) Linea di Intervento: 2 EPR coinvolti:INFN [Na e Sa] ; CNR [Dip. Fisica: SPIN, NANO, IOM;ISM Dip Chim: ISMN;IMCB] Altri Enti coinvolti – Dipartimento di Fisica, Universita’ di Napoli ‘Federico II’ – Dipartimento di Fisica, Universita’ di Roma – Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione, Universita’ del Salento – Dipartimento di Chimica, Universita’ di Milano Bicocca Responsabili Amm.vi: – Fausta Candiglioti INFN Napoli – Sabrina Poggi CNR-SPIN CdS - 3 luglio 20143

4 Il Programma Scientifico CdS - 3 luglio 20144 Definizione di un protocollo di deposizione di film organici ad elevata qualità strutturale Fabbricazione e caratterizzazione di transistor di tipo p ed n con mobilità ≥ 0.5 cm 2 /Vs su substrati rigidi Fabbricazione e caratterizzazione di transistor di tipo p e n con mobilità ≥ 0.1 cm 2 /Vs su substrati flessibili Fabbricazione di circuiti integrati Progettazione e Caratterizzazione di Amplificatori basati su OFET discreti Progettazione e test di blocchi analogici integrati: specchi di corrente, cascode e amplificatori differenziali Progettazione e test di inverter celle digitali integrate, buffer, porte logiche e flip-flop Lettura e controllo di sensori e strumentazione di misura

5 Partecipanti INFN-NA Dipendenti (rendicontabili) – Vincenzo Izzo*Tecnologo – Stefano MastroianniTecnologo – Paolo MastroserioDirigente Tecnologo – Maria Rosaria MasulloPrimo Ricercatore – Antonio PandaloneTecnico – Gennaro TortoneTecnico Associati (non rendicontabili) – Alberto Aloisio **PS FTE medio pro capite: 30% (t.b.d.) (*) Technical Manager (**) Responsabile di Progetto CdS - 3 luglio 20145

6 Approvazione Ministeriale – Nov.2013 L’approvazione definitiva dei Progetti Premiali e’ avvenuta a Nov.2013, dopo una prima proposta ritirata dal MIUR per problemi formali CdS - 3 luglio 20146

7 Finanziamento e Ripartizione del finanziamento Il progetto e’ stato finaziato con 1.667.213 € rispetto ai 2.000.000 € richiesti : – A tutti I Progetti è stato applicato un taglio lineare del 12,7%; – i Progetti di Linea2 hanno subito un ulteriore taglio del 30% ai fondi di personale; – Le altre Linee (1 e 3) hanno subito un taglio ai fondi di personale pari al 70%. CdS - 3 luglio 20147 Il CD ha approvato a Giugno la proposta di memorandum per la riparzione dei finanziamenti dei Progetti di Linea 2. Il DG ha ricevuto l’incarico di formalizzare i memorandum con gli EPR partner, sentiti i Responsabili Nazionali e Scientifici dei singoli Progetti Nel caso di EOS, INFN e CNR partecipano al 50%

8 Next steps (parliamone un attimo!) In attesa del memorandum con il CNR: Ripartizione dei fondi alle Sezioni INFN partecipanti (NA e RM3) in base alle indicazioni dei Responsabili Assegnazione del Progetto alla CSN di competenza (CSN5 nel caso di EOS) Apertura della sigla nelle due Sezioni (dettagli da definire) Definizione dell’anagrafica e della rendicontazione delle spese di personale in base a quanto riportato nella proposta di progetto CdS - 3 luglio 20148

9 Richieste ai Servizi per il 2015 SER Sviluppo di PCB per portacampioni e interfacce strumentazione di misura (4 settimane) Assemblaggio e cablaggio prototipi (2 settimane) Microsaldature per analisi campioni (2 settimane) OM Realizzazione di portacampioni e dielementi di interfaccia con strumentazione di misura (4 settimane) Progettazione Meccanica Progettazione di portacampioni e di elementi di interfaccia con strumentazione di misura (4 settimane) Realizzazione di prototipi con stampante 3D(4 settimane) CdS - 3 luglio 20149

10 “……EOS project is aimed at developing advanced digital and analog organic circuits to provide a vast research community with an innovative concept of deep embedded electronics for measuring instruments……” MAIN GOAL “….. The success of this interdisciplinary research is based on: the combined action of new high-performance organic materials, also synthesized according to specific functional requirements; the development of processes at low (even room) temperature, capable to produce thin film devices on flexible and large area supports; the ability to integrate within a unique production process several devices onto unconventional substrates (i.e. plastics, paper)…” “….. The success of this interdisciplinary research is based on: the combined action of new high-performance organic materials, also synthesized according to specific functional requirements; the development of processes at low (even room) temperature, capable to produce thin film devices on flexible and large area supports; the ability to integrate within a unique production process several devices onto unconventional substrates (i.e. plastics, paper)…” Organic Electronics for Innovative research instrumentation

11 Setting out new film deposition protocols for organic films with optimized structural quality Fabrication and characterization of high-performance p- and n-type transistors (mobility exceeding 0.1 cm 2 /Vs) on both rigid and flexible substrates Design and test of integrated analog building blocks: current mirrors, cascode and differential amplifiers Design and test of integrated digital cells: inverters, buffers, logic gates and flip- flops Development of sensors readout with organic electronics Setting out new film deposition protocols for organic films with optimized structural quality Fabrication and characterization of high-performance p- and n-type transistors (mobility exceeding 0.1 cm 2 /Vs) on both rigid and flexible substrates Design and test of integrated analog building blocks: current mirrors, cascode and differential amplifiers Design and test of integrated digital cells: inverters, buffers, logic gates and flip- flops Development of sensors readout with organic electronics SPECIFIC OBJECTIVES Organic Electronics for Innovative research instrumentation

12 OFET-based circuits Examples from literature OFET-based circuits Examples from literature

13 NATURE 2007 Max Planck Stuttgart High mobility OFET with EVAPORATED organic films (dielectric AlO x + Phosphonic acid- based SAM – Cox ~ 1µF/cm 2 High mobility OFET with EVAPORATED organic films (dielectric AlO x + Phosphonic acid- based SAM – Cox ~ 1µF/cm 2 LOW VOLTAGE operation Pentacene p-type OFET (µ=0.6 cm 2 /Vs) F 16 CuPc n-type OFET (µ=0.02 cm 2 /Vs) Pentacene p-type OFET (µ=0.6 cm 2 /Vs) F 16 CuPc n-type OFET (µ=0.02 cm 2 /Vs) CMOS INVERTER P-type N-type

14 2010 Integration in a Catheter AlO x + PhoSAM on polyimide µ p =0.5 cm 2 /Vs µ n =0.01 cm 2 /Vs CMOS INVERTER BENDABLE RING OSCILLATOR Signal delay per stage (4.5 ms)

15 AlO x + PhoSAM on Paper DNTT µ p =0.2 cm 2 /Vs F 16 CuPc µ n =0.005 cm 2 /Vs CMOS INVERTER P-type N-type

16 2013 AlO x + PhoSAM on PEN DNTT_C10 µ = 1.2 cm 2 /Vs 11-STAGE UNIPOLAR (P-type) OSCILLATOR For channel lenght of L=1 µm, the measured stage delay is 1.9 µs at a supply voltage (V sup ) of 1V, 730 ns at V sup =2V, 420ns at V sup =3V, 300ns at V sup =4V,

17 2013 Top-Contact N-type OFET based on evaporated Fluorinated Napthalene Diimide thin films Effective mobility is 0.8 cm 2 /Vs for channel length L=100 µm, while it is reduced down to 0.06 cm 2 /Vs for L=1 µm (CONTACT RESISTANCE EFFECT) To get high mobility N-type OFET with short L ( ~ 1µm ) channel is still an OPEN ISSUE !!!

18 IL PRIMO MICROPORCESSORE ORGANICO - 2011 Transistor a doppio gate con film di Pentacene (logica unipolare) ARCHITETTURA DEL µPC Dimensioni e velocità operative: confronto con uno dei primi microprocessori in Silicio 40 istruzioni al secondo Substrato flessibile Consumo di potenza molto basso 40 istruzioni al secondo Substrato flessibile Consumo di potenza molto basso PROPRIETA’

19 CIRCUITI ORGANICI COMPLESSI PER “RACCOLTA DI ENERGIA” - 2012 Transistor a bassa tensione operativa: film di DNTT ENERGIA DAI PASSI: INTEGRAZONE N UNA SCARPA SCHEMA DEL GENERATORE DI TENSIONE DAGLI IMPULSI ALLA TENSIONE DI USCITA

20 PRELIMINARY ACTIVITIES

21 High µ n-type OTFT deposited at room temperature by SuMBD ORGANIC FILM SOURCE Si ++ (GATE) DRAIN SiO 2 thickness: 200 nm HMDS+SiO 2 PDIF_CN 2 TRANSISTOR LAYOUT

22 High µ n-type OTFT deposited at room temperature by SuMBD AFM ROOM TEMPERATURE DEPOSITION MAXIMUM MOBILITY: 0.2 cm 2 /volt*sec This value exceeds by 3 orders of magnitude that of PDIF_CN 2 OFET fabricated with conventional Joule evaporation with T sub = room temperature ROOM TEMPERATURE DEPOSITION MAXIMUM MOBILITY: 0.2 cm 2 /volt*sec This value exceeds by 3 orders of magnitude that of PDIF_CN 2 OFET fabricated with conventional Joule evaporation with T sub = room temperature Potentially, SuMBD allows getting high µ OFET also on unconventional substrates

23 KELVIN PROBE MICROSCOPY for OFET ANALYSIS PDIF_CN 2 films grown (OMBD, T sub =100 °C) on bare and HMDS-treated SiO 2 HMDS µ>0.1 cm 2 *Vs HMDS µ>0.1 cm 2 *Vs BARE µ<10 -3 cm 2 *Vs BARE µ<10 -3 cm 2 *Vs KPFM allows revealing the presence of strong contact resistance effects (R C ) in OFET devices based on PDIF_CN 2 films with poor strctural order Rc effect

24 DYNAMIC CHARACTERIZAZION OF A COMMON SOURCE AMPLIFIER PDIF_CN 2 N-TYPE OFET SOURCE Si ++ (GATE)DRAIN SiO 2 thickness: 200 nm HMDS +SiO 2 BOTTOM-CONTACT BOTTOM GATE CONFIGURATION GAIN vs FREQUENCY analysis OFET µ~ 0.3 cm 2 /Vs Max Gain (Low freq) ~ 1.15 F cd (characteristic freq.) = 32 KHz (limited by large C GS, CGD) OFET µ~ 0.3 cm 2 /Vs Max Gain (Low freq) ~ 1.15 F cd (characteristic freq.) = 32 KHz (limited by large C GS, CGD)

25 Fabrication of Low-voltage operation transistors Thickness SiO 2 : 35 nm – OPERATION RANGE : (-5,5 )V SiO 2 +HMDS Organic film Au- SOURCE Si ++ (GATE) Au- DRAIN BOTTOM - CONTACT BOTTOM - GATE BOTTOM - CONTACT BOTTOM - GATE Evaporated PDIF-CN 2 OFET – OMBD, Tsub=100 °C µ max : [0.01 -0.1] cm 2 /volt*sec V on : [-3, -1.5] Volt Electrical response in Air Channel Length L=20, 40 µm

26 Inserire attività avviata con luce di sincrotone (floreano-calzolari) ° menzionare mariucci /muccini porte logiche

27 Attivita’ in corso CdS - 3 luglio 201427 Altri articoli con altri partner CNR e con i ringraziamenti ad EOS sono attualmente in fase di pubblicazione Presentazione di un progetto europeo FET (Contributo INFN: elettronica di misura su nanodispositivi riguardanti singola molecola e fototransistor) Attività PNR :scheda sull elettronica organica presentata all INFN e al Dipartimento di Fisica Altre attività

28 Altre attività/progettualità avviate Presentazione di un progetto europeo FET (contributo INFN, elettronica di misura su nanodispositivi: singola molecola e fototransistor) Attività PNR :scheda sull elettronica organica presentata all INFN e al Dipartimento di Fisica Altre possibilità attività : Rivelatori Raggi X organici