Органическая электроника

редактировать

Логическая схема Organic CMOS. Общая толщина менее 3 мкм. Масштаб: 25 мм

Органическая электроника - это область материаловедения, касающаяся дизайна, синтеза, определения характеристик и применения органических молекул. или полимеры, которые проявляют желаемые электронные свойства, такие как проводимость. В отличие от обычных неорганических проводников и полупроводников, органические электронные материалы конструируются из органических (углеродных) молекул или полимеров с использованием синтетических стратегий, разработанных в контексте органической химии и химия полимеров.

Одним из обещанных преимуществ органической электроники является ее потенциально низкая стоимость по сравнению с традиционной электроникой. К привлекательным свойствам полимерных проводников относятся их электропроводность (которая может варьироваться в зависимости от концентрации легирующих добавок ) и сравнительно высокая механическая гибкость. Некоторые из них обладают высокой термической стабильностью.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Проводящие органические материалы
    • 2.1 Молекулярные твердые вещества и соли
    • 2.2 Проводящие полимеры
  • 3 Органический светоизлучающий диод
    • 3.1 Открытие OLED
    • 3.2 Классификация и текущие исследования
  • 4 Органический полевой транзистор
    • 4.1 Открытие OFET
    • 4.2 Классификация OFET и текущие исследования
  • 5 Органические электронные устройства
    • 5.1 Методы изготовления
    • 5.2 Органические солнечные элементы
    • 5.3 Органические полевые транзисторы
  • 6 Характеристики
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Дополнительная литература
  • 10 Внешние ссылки

История

Один класс материалов, представляющих интерес в органической электронике, - это электрические проводящие, то есть вещества, которые могут передавать электрические заряды с низким удельным сопротивлением. Традиционно проводящие материалы неорганические. Классическими (и все еще доминирующими в технологическом плане) проводящими материалами являются металлы, такие как медь и алюминий, а также многие сплавы.

. материал, полианилин, был описан Генри Летеби в 1862 году. Серьезная работа над другими полимерными органическими материалами началась в 1960-х. Высокая проводимость 1 См / см (S = Siemens ) было сообщено в 1963 году для производного тетраиодопиррола. В 1977 году было обнаружено, что полиацетилен может быть окислен с помощью галогенов для получения проводящих материалов из изоляционного или полупроводникового материалы. Нобелевская премия по химии 2000 г. была присуждена Алану Дж. Хигеру, Алану Г. МакДиармиду и Хидеки Ширакава совместно за их работу над проводящими полимерами. Эти и многие другие исследователи определили большие семейства электропроводящих полимеров, включая политиофен, полифениленсульфид и другие.

В 1950-х годах был открыт второй класс электрических проводников на основе солей с переносом заряда. Ранними примерами были производные полициклических ароматических соединений. Например, было показано, что пирен образует полупроводниковый комплекс с переносом заряда солей с галогенами. В 1972 году исследователи обнаружили металлическую проводимость (проводимость, сравнимую с проводимостью металла) в комплексе с переносом заряда TTF-TCNQ.

Проводящие пластмассы были разработаны для применения в промышленности. В 1987 году первый органический диод был произведен на Eastman Kodak Ching W. Tang и Steven Van Slyke.

Первоначальная характеристика Основные свойства полимерных светоизлучающих диодов, демонстрирующие, что явление эмиссии света было инжекционной электролюминесценцией и что частотная характеристика была достаточно быстрой, чтобы разрешить применение видеодисплея, сообщил Брэдли, Берроуг, Френд и др. в статье 1990 Nature. Переход от молекулярных материалов к макромолекулярным материалам решил проблемы, с которыми ранее сталкивались с долговременной стабильностью органических пленок, и позволил легко создавать высококачественные пленки. Последующие исследования позволили разработать многослойные полимеры и новую область пластиковой электроники и органических светодиодов (OLED), исследования и производство устройств быстро росли.

Проводящие органические материалы

Типичные полупроводниковые небольшие молекулы

Органические проводящие материалы можно разделить на два основных класса: проводящие полимеры и проводящие молекулярные твердые вещества и соли.

.

Молекулярные твердые вещества и соли

Полупроводящие небольшие молекулы включают полициклические ароматические соединения, такие как пентацен и рубрен.

Проводящие полимеры

Проводящие полимеры часто бывают собственно проводящими или, по крайней мере, полупроводниками. Иногда они показывают механические свойства, сопоставимые с характеристиками обычных органических полимеров. Как органический синтез, так и усовершенствованные методы диспергирования могут использоваться для настройки электрических свойств проводящих полимеров, в отличие от типичных неорганических проводников. Наиболее хорошо изученный класс проводящих полимеров включает полиацетилен, полипиррол, полианилин и их сополимеры. Поли (п-фениленвинилен) и его производные используются для электролюминесцентных полупроводниковых полимеров. Поли (3-алкитиофены) также являются типичным материалом для использования в солнечных элементах и транзисторах.

Органический светоизлучающий диод

An OLED (органический светоизлучающий диод) состоит из тонкой пленки из органического материала, которая излучает свет при воздействии электрического тока. Типичный OLED состоит из анода, катода, органического материала OLED и проводящего слоя.

Br6A, семейство чистых органических светоизлучающих кристаллов следующего поколения Схема двухслойного OLED: 1. Катод (-), 2. Излучающий слой, 3. Излучение излучения, 4. Проводящий слой, 5. Анод ( +)

Открытие OLED

Андре Бернаноз был первым человеком, который наблюдал электролюминесценцию в органических материалах, а Ching W. Tang сообщил о производстве OLED устройство в 1987 году. OLED-устройство включало мотив двухслойной структуры, состоящий из отдельных слоев, транспортирующих дырки, и слоев, транспортирующих электроны, при этом свет излучение происходит между двумя слоями. Их открытие открыло новую эру современных исследований OLED и дизайна устройств.

Классификация и текущие исследования

OLED-органические материалы можно разделить на два основных семейства: низкомолекулярные и полимерные. Низкомолекулярные OLED (SM-OLED) включают металлоорганические хелаты (Alq3), флуоресцентные и фосфоресцентные красители и конъюгированные дендримеры.. Флуоресцентные красители можно выбрать в соответствии с желаемым диапазоном эмиссии длин волн ; Часто используются такие соединения, как перилен и рубрен. Совсем недавно д-р Ким Дж. И др. в Мичиганском университете сообщили о чистом органическом светоизлучающем кристалле, Br6A, путем модификации его галогенной связи, им удалось настроить фосфоресценцию на разные длины волн, включая зеленый, синий и красный. Изменяя структуру Br6A, ученые пытаются создать органический светоизлучающий диод следующего поколения. Устройства на основе малых молекул обычно изготавливаются путем термического испарения в вакууме. Хотя этот метод позволяет формировать хорошо контролируемую однородную пленку ; затруднена из-за высокой стоимости и ограниченной масштабируемости.

Полимерные светодиоды (PLED), аналогичные SM-OLED, излучают свет под действием приложенного электрического тока. OLED на полимерной основе, как правило, более эффективны, чем SM-OLED, для получения такой же люминесценции требуется сравнительно меньшее количество энергии. Обычные полимеры, используемые в PLED, включают производные поли (п-фениленвинилена) и полифлуорена. Излучаемый цвет можно регулировать путем замены различных боковых цепей на основную цепь полимера или изменения стабильности полимера. В отличие от SM-OLED, OLED на полимерной основе нельзя изготавливать с помощью вакуумного испарения, и вместо этого их следует обрабатывать с использованием методов на основе растворов. По сравнению с термическим испарением, способы на основе раствора больше подходят для создания пленок больших размеров. Чжэнань Бао. и другие. в Стэнфордском университете сообщил о новом способе создания тонких пленок из органических полупроводников с большой площадью с использованием выровненных одиночных кристаллических доменов.

Органический полевой транзистор

Рубрен-OFET с максимальной подвижностью заряда

Органический полевой транзистор - это полевой транзистор, использующий органические молекулы или полимеры в качестве активный полупроводниковый слой. Полевой транзистор (FET ) - это любой полупроводниковый материал, который использует электрическое поле для управления формой канала одного типа носителя заряда, тем самым изменяя его проводимость. Два основных класса полевых транзисторов - это полупроводники n-типа и p-типа, классифицируемые в соответствии с типом переносимого заряда. В случае органических полевых транзисторов (OFET) соединения OFET p-типа, как правило, более стабильны, чем соединения n-типа, из-за их восприимчивости к окислительному повреждению.

Открытие OFET

J.E. Лилиенфельд впервые предложил полевой транзистор в 1930 году, но о первом OFET не сообщалось до 1987 года, когда Koezuka et al. изготовлен из политиофена, который показывает чрезвычайно высокую проводимость. Было показано, что другие проводящие полимеры действуют как полупроводники, и о недавно синтезированных и охарактеризованных соединениях еженедельно сообщается в известных исследовательских журналах. Существует множество обзорных статей, в которых документируется разработка этих материалов.

Классификация OFET и текущие исследования

Подобно OLED, OFET можно разделить на низкомолекулярные системы и системы на основе полимеров. Транспорт заряда в OFET можно количественно оценить с помощью показателя, называемого мобильностью оператора связи; в настоящее время OFET на основе рубрена демонстрируют наивысшую подвижность носителей заряда 20-40 см / (В · с). Другим популярным материалом OFET является пентацен. Из-за его низкой растворимости в большинстве органических растворителей трудно изготовить тонкопленочные транзисторы (TFT ) из самого пентацена с использованием обычного центробежного литья или нанесение покрытия погружением, но это препятствие можно преодолеть, используя производное TIPS-пентацена. Текущие исследования в большей степени сосредоточены на модели тонкопленочного транзистора (TFT ), которая исключает использование проводящих материалов. Совсем недавно два исследования, проведенные доктором Бао З. и соавт. и д-р Ким Дж. и др. продемонстрировал контроль над формированием разработанных тонкопленочных транзисторов. Контролируя образование кристаллического TFT, можно создать выровненный (в отличие от случайно упорядоченного) путь переноса заряда, что приводит к повышенной подвижности заряда.

Органические электронные устройства

Гибкий дисплей на основе органических веществ Пять структур из органических фотоэлектрических материалов

Органические солнечные элементы могут снизить стоимость солнечной энергии за счет использования недорогих органических полимеров. чем дорогой кристаллический кремний, используемый в большинстве солнечных элементов. Более того, полимеры можно обрабатывать с использованием недорогого оборудования, такого как струйные принтеры или оборудование для нанесения покрытий, используемое для изготовления фотопленки, что снижает как капитальные, так и эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными Производство солнечных элементов.

Кремниевые тонкопленочные солнечные элементы на гибких подложках позволяют значительно снизить стоимость фотоэлектрических элементов большой площади по нескольким причинам:

  1. Так называемые «рулон на рулон '- осаждение гибких листов намного проще осуществить с точки зрения технологических затрат, чем нанесение на хрупкие и тяжелые стеклянные листы.
  2. Транспортировка и установка легких гибких солнечных элементов также снижает затраты по сравнению с ячейками на стекле.

Недорогие полимерные подложки, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или поликарбонат (ПК), имеют потенциал для дальнейшего снижения затрат в фотоэлектрической технике. Протоморфные солнечные элементы оказались многообещающей концепцией для эффективных и недорогих фотоэлектрических элементов на дешевых и гибких подложках для производства на больших площадях, а также для небольших и мобильных приложений.

Одно из преимуществ печати Электроника заключается в том, что различные электрические и электронные компоненты могут быть напечатаны друг на друге, что позволяет сэкономить место и повысить надежность, а иногда все они прозрачны. Одни чернила не должны повредить другие, и низкотемпературный отжиг жизненно важен, если используются недорогие гибкие материалы, такие как бумага и пластиковая пленка. Здесь задействовано много сложных инженерных и химических технологий, среди которых iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck Co. | Merck, BASF, HC Starck, Hitachi Chemical и Frontier Carbon Corporation. Электронные устройства на основе органические соединения сейчас широко используются, и многие новые продукты находятся в стадии разработки. Sony сообщила о первом полноцветном гибком пластиковом дисплее с высокой скоростью воспроизведения видео, изготовленном исключительно из органических материалов ; телевизионный экран на основе материалов OLED; биоразлагаемая электроника на основе органических соединений и недорогие органические солнечные элементы также доступны.

Методы изготовления

Между обработкой низкомолекулярных органических полупроводников и полупроводниковых полимеров существуют важные различия. Полупроводники с небольшими молекулами довольно часто нерастворимы и обычно требуют осаждения посредством вакуумной сублимации. Хотя обычно тонкие пленки из растворимых сопряженных полимеров. Устройства на основе проводящих полимеров можно изготовить методами обработки раствора. Как методы обработки в растворе, так и методы на основе вакуума позволяют получать аморфные и поликристаллические пленки с переменной степенью беспорядка. Методики «мокрого» покрытия требуют растворения полимеров в летучем растворителе, фильтрации и осаждения на подложку. Общие примеры технологий нанесения покрытий на основе растворителей включают капельное литье, центрифугирование, ракельное лезвие, струйную печать и трафаретную печать. Покрытие методом центрифугирования является широко используемой техникой для производства тонких пленок малых площадей. Это может привести к значительным материальным потерям. Метод ракельного ножа приводит к минимальным потерям материала и был в первую очередь разработан для производства тонких пленок большой площади. Для термического осаждения малых молекул в вакууме требуется испарение молекул из горячего источника. Затем молекулы переносятся через вакуум на подложку. Процесс конденсации этих молекул на поверхности подложки приводит к образованию тонкой пленки. В некоторых случаях методы влажного покрытия могут применяться к небольшим молекулам в зависимости от их растворимости.

Органические солнечные элементы

Двухслойный органический фотоэлектрический элемент

По сравнению с обычными неорганическими солнечными элементами, органические солнечные элементы имеют преимущество в более низкой стоимости изготовления. Органический солнечный элемент - это устройство, в котором используется органическая электроника для преобразования света в электричество. В органических солнечных элементах используются органические фотоэлектрические материалы, органические полупроводниковые диоды, которые преобразуют свет в электричество. На рисунке справа показаны пять наиболее часто используемых органических фотоэлектрических материалов. Электроны в этих органических молекулах могут быть делокализованы по делокализованной π орбитали с соответствующей π * разрыхляющей орбиталью. Разница в энергии между π-орбиталью, или самой высокой занятой молекулярной орбиталью (HOMO ), и π * -орбиталью, или самой низкой незанятой молекулярной орбиталью (LUMO ), называется полосой . зазор органических фотоэлектрических материалов. Обычно ширина запрещенной зоны находится в диапазоне 1-4 эВ.

Разница в запрещенной зоне органических фотоэлектрических материалов приводит к различные химические структуры и формы органических солнечных элементов. Различные формы солнечных элементов включают однослойные органические фотоэлектрические элементы, двухслойные органические фотоэлектрические элементы и гетеропереходные фотоэлектрические элементы. Однако все три из этих типов солнечных элементов разделяют подход, заключающийся в размещении органического электронного слоя между двумя металлическими проводниками, обычно оксид индия и олова.

Изображение устройства на тонкопленочных транзисторах

Органические полевые транзисторы

Устройство на органических полевых транзисторах состоит из трех основных компонентов: истока, стока и затвора. Обычно полевой транзистор имеет две пластины , исток в контакте со стоком и затвор, соответственно, работающие как проводящий канал . Электроны движутся от истока к стоку, а затвор служит для управления движением электронов 'от истока к стоку. Различные типы полевых транзисторов разработаны на основе свойств несущей. Среди них тонкопленочный транзистор (TFT ), который легко изготовить. В тонкопленочном транзисторе исток и сток образованы прямым нанесением тонкого слоя полупроводника, за которым следует тонкая пленка изолятора между полупроводником и металлическим контактом затвора. Такая тонкая пленка изготавливается путем термического напыления или просто нанесения покрытия центрифугированием. В устройстве TFT нет движения носителя между истоком и стоком. После приложения положительного заряда накопление электронов на интерфейсе вызывает изгиб полупроводника и, в конечном итоге, снижает зону проводимости в отношении Ферми -уровень полупроводника. Наконец, на границе раздела .

формируется канал с высокой проводимостью..

Характеристики

Проводящие полимеры легче, гибче и дешевле, чем неорганические проводники. Это делает их желательной альтернативой во многих приложениях. Это также создает возможность для новых приложений, которые были бы невозможны с использованием меди или кремния.

Органическая электроника включает не только органические полупроводники, но также органические диэлектрики, проводники и излучатели света.

Новые приложения включают интеллектуальные окна и электронная бумага. Ожидается, что проводящие полимеры будут играть важную роль в зарождающейся науке о молекулярных компьютерах.

См. Также

  • icon Портал электроники

Ссылки

Дополнительная литература

  • Grasser, Tibor., Meller, Gregor. Бальдо, Марк. (Eds.) (2010) Органическая электроника Springer, Heidelberg. ISBN 978-3-642-04537-0 (печать) 978-3-642-04538-7 (онлайн)
  • Baracus, B.A.; Вайс, Д. Э. (1963). «Электронная проводимость в полимерах. II. Электрохимическое восстановление полипиррола при контролируемом потенциале». Aust. J. Chem. 16 (6): 1076–1089. doi : 10,1071 / CH9631076.
  • Bolto, B.A.; McNeill, R.; Вайс, Д. Э. (1963). «Электронная проводимость в полимерах. III. Электронные свойства полипиррола». Aust. J. Chem. 16 (6): 1090–1103. doi : 10.1071 / CH9631090.
  • Тише, Ноэль С. (2003). «Обзор первого полувека молекулярной электроники». Аня. N.Y. Acad. Sci. 1006 (1): 1–20. Bibcode : 2003NYASA1006.... 1H. doi : 10.1196 / annals.1292.016. PMID 14976006.
  • Электронные процессы в органических кристаллах и полимерах, 2-е изд. Мартин Поуп и Чарльз Свенберг, Oxford University Press (1999), ISBN 0-19-512963-6
  • Справочник по органической электронике и фотонике (3-томный набор) Хари Сингх Налва, American Scientific Publishers. (2008), ISBN 1-58883-095-0

Внешние ссылки

  • СМИ, связанные с Органической электроникой на Wikimedia Commons
  • orgworld - Домашняя страница Organic Semiconductor World.
Последняя правка сделана 2021-06-01 14:33:10
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте