Organisk elektronik - Organic electronics
Organisk elektronik er et område inden for materialevidenskab vedrørende design, syntese , karakterisering og anvendelse af organiske molekyler eller polymerer, der viser ønskelige elektroniske egenskaber såsom ledningsevne . I modsætning til konventionelle uorganiske ledere og halvledere er organiske elektroniske materialer konstrueret af organiske (kulstofbaserede) molekyler eller polymerer ved hjælp af syntetiske strategier udviklet i sammenhæng med organisk kemi og polymerkemi .
En af de lovede fordele ved organisk elektronik er deres potentielle lave omkostninger i forhold til traditionel elektronik. Attraktive egenskaber ved polymere ledere inkluderer deres elektriske ledningsevne (som kan varieres ved koncentrationer af dopemidler ) og forholdsvis høj mekanisk fleksibilitet . Udfordringer ved implementeringen af organiske elektroniske materialer er deres ringere termiske stabilitet , høje omkostninger og forskellige fabrikationsproblemer.
Historie
- Elektrisk ledende polymerer
Traditionelle ledende materialer er uorganiske , især metaller som kobber og aluminium samt mange legeringer .
I 1862 beskrev Henry Letheby polyanilin , som efterfølgende viste sig at være elektrisk ledende. Arbejdet med andre polymere organiske materialer begyndte for alvor i 1960'erne. For eksempel i 1963 viste et derivat af tetraiodopyrrol at udvise ledningsevne på 1 S/cm (S = Siemens ). I 1977 blev det opdaget, at oxidation forbedrede polyacetylens ledningsevne . Nobelprisen i kemi i 2000 blev tildelt Alan J. Heeger , Alan G. MacDiarmid og Hideki Shirakawa i fællesskab for deres arbejde med polyacetylen og beslægtede ledende polymerer. Mange familier med elektrisk ledende polymerer er blevet identificeret, herunder polythiophen , polyphenylensulfid og andre.
JE Lilienfeld foreslog først felt-effekt-transistoren i 1930, men den første OFET blev først rapporteret i 1987, da Koezuka et al. konstrueret en ved hjælp af Polythiophene, som viser ekstremt høj ledningsevne. Andre ledende polymerer har vist sig at fungere som halvledere, og nyligt syntetiserede og karakteriserede forbindelser rapporteres ugentligt i fremtrædende forskningstidsskrifter. Der findes mange anmeldelseartikler, der dokumenterer udviklingen af disse materialer .
I 1987 blev den første organiske diode produceret på Eastman Kodak af Ching W. Tang og Steven Van Slyke .
- Elektrisk ledende ladningsoverførselsalte
I 1950'erne viste det sig, at organiske molekyler udviser elektrisk ledningsevne. Specifikt viste det sig, at den organiske forbindelse pyren danner halvledende ladningsoverførselskompleks salte med halogener . I 1972 fandt forskere metallisk ledningsevne (ledningsevne, der kan sammenlignes med et metal) i ladningsoverførselskomplekset TTF-TCNQ .
- Lys og elektrisk ledningsevne
André Bernanose var den første person til at observere elektroluminescens i organiske materialer , og Ching W. Tang rapporterede om fremstilling af en OLED-enhed i 1987. OLED-enheden inkorporerede et dobbeltlagsmotiv bestående af kobberphthalocyanin og et derivat af perylentetracarboxylsyreanhydrid .
I 1990 blev en polymer lysemitterende dioder demonstreret af Bradley , Burroughes , Friend . At flytte fra molekylære til makromolekylære materialer løste de problemer, der tidligere var stødt på med de langsigtede stabilitet af de organiske film, og gjorde det let at lave film af høj kvalitet. I slutningen af 1990'erne viste det sig, at meget effektive elektroluminescerende dopemidler dramatisk øger OLED'ernes lysemitterende effektivitet. Disse resultater antydede, at elektroluminescerende materialer kunne fortrænge traditionel varmfilamentbelysning. Efterfølgende forskning udviklede flerlagspolymerer, og det nye område inden for plastelektronik og organisk lysemitterende dioder (OLED) forskning og enhedsproduktion voksede hurtigt.
Ledende organiske materialer
Organiske ledende materialer kan grupperes i to hovedklasser: polymerer og ledende molekylære faste stoffer og salte. Polycykliske aromatiske forbindelser, såsom pentacen og rubren danner ofte halvledende materialer, når delvist oxideret.
Ledende polymerer er ofte typisk iboende ledende eller i det mindste halvledere. De viser undertiden mekaniske egenskaber, der kan sammenlignes med de for konventionelle organiske polymerer. Både organisk syntese og avancerede dispersionsteknikker kan bruges til at justere de elektriske egenskaber af ledende polymerer , i modsætning til typiske uorganiske ledere. Godt undersøgt klasse af ledende polymerer omfatter polyacetylen , polypyrrol , polythiophener og polyanilin . Poly (p-phenylenvinylen) og dets derivater er elektroluminescerende halvledende polymerer. Poly (3-alkythiophener) er blevet inkorporeret i prototyper af solceller og transistorer .
Organisk lysemitterende diode
En OLED (organisk lysemitterende diode) består af en tynd film af organisk materiale, der udsender lys under stimulering af en elektrisk strøm. En typisk OLED består af en anode, en katode, organisk OLED -materiale og et ledende lag.
OLED-organiske materialer kan opdeles i to store familier: småmolekylbaserede og polymerbaserede. Små molekyle OLED'er (SM-OLED'er) omfatter tris (8-hydroxyquinolinato) aluminiums fluorescerende og phosphorescerende farvestoffer og konjugerede dendrimerer . Fluorescerende farvestoffer kan vælges i henhold til det ønskede område på emissions- bølgelængder ; forbindelser som perylen og rubren anvendes ofte. Enheder baseret på små molekyler fremstilles normalt ved termisk fordampning under vakuum . Selvom denne metode muliggør dannelse af velkontrolleret homogen film ; hæmmes af høje omkostninger og begrænset skalerbarhed. Polymer lysemitterende dioder (PLED'er) er generelt mere effektive end SM-OLED'er. Almindelige polymerer, der anvendes i PLED'er, omfatter derivater af poly (p-phenylenvinylen) og polyfluoren . Den udsendte farve ved polymerens struktur. Sammenlignet med termisk fordampning er løsningsbaserede metoder mere egnede til at skabe film med store dimensioner.
Organisk felt-effekt transistor
En organisk felt-effekt-transistor er en felt-effekt-transistor, der anvender organiske molekyler eller polymerer som det aktive halvledende lag. En felt-effekt-transistor ( FET ) er ethvert halvledermateriale, der udnytter elektrisk felt til at styre formen på en kanal af en type ladningsbærer og derved ændre dens ledningsevne. To hovedklasser af FET er n-type og p-type halvleder, klassificeret i henhold til ladningstypen. For organiske FET'er (OFET'er) er OFET-forbindelser af p-type generelt mere stabile end n-type på grund af sidstnævntes modtagelighed for oxidativ skade.
Hvad angår OLED'er, er nogle OFET'er molekylære, og nogle er polymerbaserede systemer. Rubrenbaserede OFET'er viser høj transportørmobilitet på 20–40 cm 2 /(V · s). Et andet populært OFET -materiale er Pentacene . På grund af dens lave opløselighed i de fleste organiske opløsningsmidler er det svært at fremstille tyndfilmstransistorer ( TFT'er ) fra pentacen selv ved hjælp af konventionelle spin-cast eller dip coating- metoder, men denne forhindring kan overvindes ved hjælp af derivatet TIPS-pentacen.
Organiske elektroniske enheder
Organiske solceller kan reducere omkostningerne ved solenergi sammenlignet med konventionel solcelleproduktion. Tyndfilm-solceller på silicium på fleksible underlag tillader en betydelig omkostningsreduktion af solceller i store områder af flere årsager:
- Den såkaldte ' roll-to-roll ' -aflejring på fleksible plader er meget lettere at realisere med hensyn til teknologisk indsats end aflejring på skrøbelige og tunge glasplader .
- Transport og installation af lette fleksible solceller sparer også omkostninger i forhold til celler på glas.
Billige polymere substrater som polyethylenterephthalat (PET) eller polycarbonat (PC) har potentiale til yderligere omkostningsreduktion i solceller. Protomorfe solceller viser sig at være et lovende koncept for effektiv og billig fotovoltaik på billige og fleksible underlag til storarealsproduktion samt små og mobile applikationer.
En fordel ved trykt elektronik er, at forskellige elektriske og elektroniske komponenter kan udskrives oven på hinanden, hvilket sparer plads og øger pålideligheden, og nogle gange er de alle gennemsigtige. Det ene blæk må ikke beskadige det andet, og lavtemperaturglødning er afgørende, hvis der skal bruges billige fleksible materialer, såsom papir og plastfilm . Der er meget sofistikeret teknik og kemi involveret her, med iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co. | Merck, BASF, HC Starck, Hitachi Chemical og Frontier Carbon Corporation blandt lederne. Elektroniske enheder baseret på organiske forbindelser er nu meget udbredt, med mange nye produkter under udvikling. Sony rapporterede det første fuldfarve, videofrekvens, fleksibelt, plastdisplay, der udelukkende var lavet af organiske materialer ; fjernsynsskærm baseret på OLED -materialer; biologisk nedbrydeligt elektronik baseret på organisk forbindelse og organiske lavpris- solceller er også tilgængelige.
Fremstillingsmetoder
Lavmolekylære halvledere er ofte uopløselige , hvilket nødvendiggør aflejring via vakuum sublimering . Enheder baseret på ledende polymerer kan fremstilles ved opløsningsbehandlingsmetoder. Både løsningsbehandling og vakuumbaserede metoder producerer amorfe og polykrystallinske film med variabel grad af uorden. "Våd" belægningsteknik kræver, at polymerer opløses i et flygtigt opløsningsmiddel , filtreres og afsættes på et substrat . Almindelige eksempler på opløsningsmiddelbaserede belægningsteknikker omfatter drop-støbning, spin-coating , doctor-blading, inkjetprint og screentryk . Spin-coating er en meget udbredt teknik til produktion af tyndfilm i små områder . Det kan resultere i en høj grad af materialetab. Doctor-blade-teknikken resulterer i et minimalt materialetab og blev primært udviklet til tyndfilmsproduktion på stort område. Vakuumbaseret termisk aflejring af små molekyler kræver fordampning af molekyler fra en varm kilde. Molekylerne transporteres derefter gennem vakuum til et substrat. Processen med at kondensere disse molekyler på substratoverfladen resulterer i dannelse af tyndfilm. Våd belægningsteknik kan i nogle tilfælde anvendes på små molekyler afhængigt af deres opløselighed.
Organiske solceller
Organiske halvlederdioder konverterer lys til elektricitet. Figuren til højre viser fem almindeligt anvendte organiske fotovoltaiske materialer. Elektroner i disse organiske molekyler kan delokaliseres i en delokaliseret π -orbital med en tilsvarende π* antibonderende orbital . Forskellen i energi mellem π orbital, eller højest besatte molekylære orbital ( HOMO ), og π * orbital eller laveste ubesatte molekylære orbital ( LUMO ) kaldes båndgabet af organiske fotovoltaiske materialer. Typisk båndgab ligger i området af 1-4eV.
Forskellen i båndgabet mellem organiske fotovoltaiske materialer fører til forskellige kemiske strukturer og former for organiske solceller . Forskellige former for solceller omfatter single-layer organiske fotovoltaiske celler, dobbeltlag organiske fotovoltaiske celler og heterojunction fotovoltaiske celler. Alle tre af disse typer solceller deler imidlertid tilgangen til at klemme det organiske elektroniske lag mellem to metalliske ledere, typisk indiumtinoxid .
Organiske felt-effekt-transistorer
En organisk felt-effekt-transistor består af tre hovedkomponenter: kilden, afløbet og porten . Generelt har en felt-effekt-transistor to plader , kilden i kontakt med henholdsvis afløb og porten, der fungerer som ledende kanal . Elektronerne bevæger sig fra kilde til afløb, og porten tjener til at kontrollere elektronernes bevægelse fra kilde til afløb. Forskellige typer FET'er er designet baseret på bæreregenskaber . Tyndfilmstransistor ( TFT ), blandt dem, er let at fremstille. I en tyndfilmstransistor fremstilles kilden og afløbet ved direkte aflejring af et tyndt lag af halvleder efterfulgt af en tynd film af isolator mellem halvleder og metalportkontakten. En sådan tynd film fremstilles ved enten termisk fordampning eller simpelthen centrifugering. I en TFT -enhed er der ingen bærerbevægelse mellem kilden og afløbet. Efter påføring af en positiv ladning forårsager akkumulering af elektroner på grænsefladen bøjning af halvlederen og i sidste ende sænker ledningsbåndet med hensyn til halvlederens Fermi -niveau. Endelig dannes en stærkt ledende kanal ved grænsefladen .
Funktioner
Ledende polymerer er lettere, mere fleksible og billigere end uorganiske ledere. Dette gør dem til et ønskværdigt alternativ i mange applikationer. Det skaber også mulighed for nye applikationer, der ville være umulige at bruge kobber eller silicium.
Organisk elektronik omfatter ikke kun organiske halvledere , men også organiske dielektrikere , ledere og lysemittere .
Nye applikationer omfatter smarte vinduer og elektronisk papir . Ledende polymerer forventes at spille en vigtig rolle i den nye videnskab om molekylære computere .
Se også
Referencer
Yderligere læsning
- Grasser, Tibor., Meller, Gregor. Baldo, Marc. (Red.) (2010) Organisk elektronik Springer, Heidelberg. ISBN 978-3-642-04537-0 (Udskriv) 978-3-642-04538-7 (online)
- Baracus, BA; Weiss, DE (1963). "Elektronisk ledning i polymerer. II. Den elektrokemiske reduktion af polypyrrol ved kontrolleret potentiale". Aust. J. Chem . 16 (6): 1076–1089. doi : 10.1071/CH9631076 .
- Bolto, BA; McNeill, R .; Weiss, DE (1963). "Elektronisk ledning i polymerer. III. Elektroniske egenskaber ved Polypyrrol". Aust. J. Chem . 16 (6): 1090–1103. doi : 10.1071/CH9631090 .
- Hush, Noel S. (2003). "En oversigt over det første halve århundrede af molekylær elektronik". Ann. NY Acad. Sci . 1006 (1): 1–20. Bibcode : 2003NYASA1006 .... 1H . doi : 10.1196/annals.1292.016 . PMID 14976006 .
- Elektroniske processer i organiske krystaller og polymerer, 2 udg. af Martin Pope og Charles E. Swenberg, Oxford University Press (1999), ISBN 0-19-512963-6
- Handbook of Organic Electronics and Photonics (3-bind sæt) af Hari Singh Nalwa, amerikanske videnskabelige forlag. (2008), ISBN 1-58883-095-0
eksterne links
-
Medier relateret til organisk elektronik på Wikimedia Commons - orgworld - Organic Semiconductor World hjemmeside.
