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.
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.
Органические проводящие материалы можно разделить на два основных класса: проводящие полимеры и проводящие молекулярные твердые вещества и соли.
.
Полупроводящие небольшие молекулы включают полициклические ароматические соединения, такие как пентацен и рубрен.
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.
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 ( +)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.
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 - 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.
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.
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 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:
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.
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.
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 транзисторахУстройство 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 .
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.