stringtranslate.com

Органическая электроника

Органическая логическая схема CMOS . Общая толщина менее 3 мкм. Масштабная линейка: 25 мм

Органическая электроника — это область материаловедения, касающаяся проектирования, синтеза , характеристики и применения органических молекул или полимеров , которые демонстрируют желаемые электронные свойства, такие как проводимость . В отличие от обычных неорганических проводников и полупроводников , органические электронные материалы изготавливаются из органических (углеродных) молекул или полимеров с использованием синтетических стратегий, разработанных в контексте органической химии и химии полимеров .

Одним из обещанных преимуществ органической электроники является ее потенциально низкая стоимость по сравнению с традиционной электроникой. [1] [2] [3] Привлекательные свойства полимерных проводников включают их электропроводность (которая может изменяться за счет концентрации легирующих примесей ) и сравнительно высокую механическую гибкость . Проблемы внедрения органических электронных материалов заключаются в их низкой термической стабильности , высокой стоимости и разнообразных проблемах изготовления.

История

Электропроводящие полимеры

Традиционные проводящие материалы являются неорганическими , особенно металлы, такие как медь и алюминий , а также многие сплавы . [ необходима ссылка ]

В 1862 году Генри Летеби описал полианилин , который впоследствии оказался электропроводным. Работа над другими полимерными органическими материалами началась всерьез в 1960-х годах. Например, в 1963 году было показано, что производное тетраиодопиррола демонстрирует проводимость 1 См/см (S = Сименс ). [4] В 1977 году было обнаружено, что окисление повышает проводимость полиацетилена . Нобелевская премия по химии 2000 года была присуждена Алану Дж. Хигеру , Алану Г. Мак-Диармиду и Хидеки Сиракаве совместно за их работу над полиацетиленом и родственными проводящими полимерами. [5] Было идентифицировано много семейств электропроводящих полимеров, включая политиофен , полифениленсульфид и другие.

JE Lilienfeld [6] впервые предложил полевой транзистор в 1930 году, но первый OFET не был представлен до 1987 года, когда Koezuka и др. построили его с использованием политиофена [7] , который показывает чрезвычайно высокую проводимость. Было показано, что другие проводящие полимеры действуют как полупроводники, а недавно синтезированные и охарактеризованные соединения еженедельно публикуются в известных исследовательских журналах. Существует множество обзорных статей, документирующих разработку этих материалов . [8] [9] [10] [11] [12]

В 1987 году Чинг В. Тан и Стивен Ван Слайк изготовили первый органический диод на заводе Eastman Kodak . [13]

Электропроводящие соли переноса заряда

В 1950-х годах было показано, что органические молекулы проявляют электропроводность. В частности, было показано, что органическое соединение пирен образует полупроводниковые комплексные соли с переносом заряда с галогенами . [14] В 1972 году исследователи обнаружили металлическую проводимость (проводимость, сравнимую с проводимостью металла) в комплексе с переносом заряда TTF-TCNQ .

Свет и электропроводность

Андре Бернаноуз [15] [16] был первым человеком, который наблюдал электролюминесценцию в органических материалах . Чинг В. Тан и Стивен Ван Слайк [ 17] сообщили об изготовлении первого практического OLED-устройства в 1987 году. OLED-устройство включало двухслойную структуру, состоящую из фталоцианина меди и производного перилентетракарбонового диангидрида [18] .

В 1990 году Брэдли , Берроуз , Френд продемонстрировали полимерные светоизлучающие диоды . Переход от молекулярных к макромолекулярным материалам решил проблемы, с которыми ранее сталкивались при долговременной стабильности органических пленок, и позволил легко изготавливать высококачественные пленки. [19] В конце 1990-х годов было показано, что высокоэффективные электролюминесцентные присадки значительно увеличивают эффективность светоизлучения OLED [20] Эти результаты предполагают, что электролюминесцентные материалы могут заменить традиционное освещение с горячей нитью накаливания. Последующие исследования разработали многослойные полимеры, и новая область исследований и производства устройств из пластиковой электроники и органических светоизлучающих диодов (OLED) быстро росла. [21]

Проводящие органические материалы

Вид с ребра части кристаллической структуры гексаметиленовой соли переноса заряда TTF-TCNQ , подчеркивающий сегрегированную укладку. Такие молекулярные полупроводники проявляют анизотропную электропроводность. [22]

Органические проводящие материалы можно разделить на два основных класса: полимеры и проводящие молекулярные твердые вещества и соли. Полициклические ароматические соединения, такие как пентацен и рубрен, часто образуют полупроводниковые материалы при частичном окислении.

Проводящие полимеры часто обычно являются внутренне проводящими или, по крайней мере, полупроводниками. Иногда они демонстрируют механические свойства, сопоставимые со свойствами обычных органических полимеров. Как органический синтез, так и передовые методы дисперсии могут использоваться для настройки электрических свойств проводящих полимеров , в отличие от типичных неорганических проводников. Хорошо изученный класс проводящих полимеров включает полиацетилен , полипиррол , политиофены и полианилин . Поли(п-фениленвинилен) и его производные являются электролюминесцентными полупроводниковыми полимерами. Поли(3-алкилтиофены) были включены в прототипы солнечных элементов и транзисторов .

Органический светодиод

OLED (органический светоизлучающий диод) состоит из тонкой пленки органического материала, который излучает свет при стимуляции электрическим током. Типичный OLED состоит из анода, катода, органического материала OLED и проводящего слоя. [23]

Br6A — семейство чисто органических светоизлучающих кристаллов нового поколения
Схема двухслойного OLED: 1. Катод (−), 2. Эмиссионный слой, 3. Эмиссия излучения, 4. Проводящий слой, 5. Анод (+)

Органические материалы OLED можно разделить на два основных семейства: на основе малых молекул и на основе полимеров. Низкомолекулярные OLED (SM-OLED) включают флуоресцентные и фосфоресцентные красители на основе трис(8-гидроксихинолинато)алюминия [17] и сопряженные дендримеры . Флуоресцентные красители можно выбирать в соответствии с желаемым диапазоном длин волн излучения ; часто используются такие соединения, как перилен и рубрен . Устройства на основе малых молекул обычно изготавливаются путем термического испарения в вакууме . Хотя этот метод позволяет формировать хорошо контролируемую однородную пленку ; затруднен высокой стоимостью и ограниченной масштабируемостью. [24] [25] Полимерные светодиоды (PLED), как правило, более эффективны, чем SM-OLED. Обычные полимеры, используемые в PLED, включают производные поли(п-фениленвинилена) [26] и полифлуорена . Излучаемый цвет определяется структурой полимера. По сравнению с термическим испарением методы на основе растворов более подходят для создания пленок больших размеров.

Органический полевой транзистор

Рубрен-ОФЕТ с самой высокой подвижностью заряда

Органический полевой транзистор (OFET) — это полевой транзистор, использующий органические молекулы или полимеры в качестве активного полупроводникового слоя. 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 FET — это полупроводники n-типа и p-типа, классифицируемые в соответствии с типом переносимого заряда. В случае органических FET (OFET) соединения OFET p-типа, как правило, более стабильны, чем n-типа из-за восприимчивости последнего к окислительному повреждению.

Что касается OLED, некоторые OFET являются молекулярными, а некоторые — полимерными системами. OFET на основе рубрена демонстрируют высокую подвижность носителей 20–40 см 2 /(В·с). Другим популярным материалом OFET является пентацен . Из-за его низкой растворимости в большинстве органических растворителей трудно изготавливать тонкопленочные транзисторы ( TFT ) из самого пентацена с использованием обычных методов центрифугирования или нанесения покрытия погружением , но это препятствие можно преодолеть, используя производный TIPS-пентацен.

Органические электронные устройства

Гибкий дисплей на основе органических материалов
Пять структур органических фотоэлектрических материалов

Органические солнечные элементы могут снизить стоимость солнечной энергии по сравнению с традиционным производством солнечных элементов. [27] Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы на гибких подложках позволяют значительно снизить стоимость фотоэлектрических элементов большой площади по нескольким причинам: [28]

  1. Так называемое « рулонное » нанесение покрытий на гибкие листы гораздо проще в реализации с точки зрения технологических затрат, чем нанесение покрытий на хрупкие и тяжелые стеклянные листы .
  2. Транспортировка и установка легких гибких солнечных элементов также экономит затраты по сравнению с элементами на стекле.

Недорогие полимерные субстраты, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или поликарбонат (ПК), обладают потенциалом для дальнейшего снижения стоимости в фотоэлектричестве. Протоморфные солнечные элементы оказались многообещающей концепцией для эффективной и недорогой фотоэлектричества на дешевых и гибких субстратах для крупномасштабного производства, а также для небольших и мобильных приложений. [28]

Одним из преимуществ печатной электроники является то, что различные электрические и электронные компоненты могут быть напечатаны друг на друге, что экономит место и повышает надежность, а иногда они все прозрачны. Одни чернила не должны повреждать другие, и низкотемпературный отжиг жизненно важен, если будут использоваться недорогие гибкие материалы, такие как бумага и пластиковая пленка . Здесь задействовано много сложной инженерии и химии, среди лидеров — iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co.|Merck, BASF, HC Starck, Sunew, Hitachi Chemical и Frontier Carbon Corporation. [29] Электронные устройства на основе органических соединений в настоящее время широко используются, и разрабатывается множество новых продуктов. Sony сообщила о первом полноцветном, видеоскоростном, гибком пластиковом дисплее, изготовленном исключительно из органических материалов ; [30] [31] телевизионный экран на основе материалов OLED; также доступны биоразлагаемая электроника на основе органических соединений и недорогие органические солнечные элементы .

Методы изготовления

Маломолекулярные полупроводники часто нерастворимы , что требует осаждения с помощью вакуумной сублимации . Устройства на основе проводящих полимеров могут быть получены методами обработки раствором. Как обработка раствором, так и вакуумные методы производят аморфные и поликристаллические пленки с различной степенью беспорядка. «Мокрые» методы покрытия требуют, чтобы полимеры были растворены в летучем растворителе , отфильтрованы и нанесены на подложку . Обычные примеры методов покрытия на основе растворителя включают литье капель, центрифугирование , ракельное лезвие, струйную печать и трафаретную печать . Центрифугирование является широко используемым методом для производства тонких пленок небольшой площади . Это может привести к высокой степени потери материала. Метод ракельного лезвия приводит к минимальной потере материала и был в первую очередь разработан для производства тонких пленок большой площади. Вакуумное термическое осаждение малых молекул требует испарения 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 нанесения мокрого покрытия могут применяться к небольшим молекулам в зависимости от их растворимости.

Органические солнечные элементы

Двухслойный органический фотоэлектрический элемент

Органические полупроводниковые диоды преобразуют свет в электричество. На рисунке справа показаны пять обычно используемых органических фотоэлектрических материалов. Электроны в этих органических молекулах могут быть делокализованы в делокализованной π- орбитали с соответствующей π*-антисвязывающей орбиталью . Разница в энергии между π-орбиталью, или высшей занятой молекулярной орбиталью ( HOMO ), и π*-орбиталью, или низшей незанятой молекулярной орбиталью ( LUMO ), называется шириной запрещенной зоны органических фотоэлектрических материалов. Обычно ширина запрещенной зоны лежит в диапазоне 1-4 эВ. [32] [33] [34]

Разница в ширине запрещенной зоны органических фотоэлектрических материалов приводит к различным химическим структурам и формам органических солнечных элементов . Различные формы солнечных элементов включают однослойные органические фотоэлектрические элементы, двухслойные органические фотоэлектрические элементы и гетеропереходные фотоэлектрические элементы. Однако все три типа солнечных элементов разделяют подход размещения органического электронного слоя между двумя металлическими проводниками, обычно оксидом индия и олова . [35]

Иллюстрация тонкопленочного транзисторного устройства

Органические полевые транзисторы

Органический полевой транзистор представляет собой трехконтактное устройство (исток, сток и затвор). Носители заряда перемещаются между источником и стоком, а затвор служит для управления проводимостью пути. Существует в основном два типа органических полевых транзисторов, основанных на переносе заряда полупроводникового слоя, а именно p-типа (например, динафто[2,3- b :2′,3′- f ]тиено[3,2- b ]тиофен, DNTT), [36] и n-типа (например, фенил C61 масляная кислота метиловый эфир, PCBM). [37] Некоторые органические полупроводники также могут иметь как p-тип, так и n-тип (т. е. амбиполярные) характеристики. [38]

Такая технология позволяет производить большую площадь, гибкую, недорогую электронику. [39] Одним из главных преимуществ является то, что, будучи в основном низкотемпературным процессом по сравнению с КМОП, можно использовать различные типы материалов. Это делает их, в свою очередь, отличными кандидатами для сенсоров. [40]

Функции

Проводящие полимеры легче, гибче и дешевле неорганических проводников. Это делает их желанной альтернативой во многих приложениях. Это также создает возможность новых приложений, которые были бы невозможны при использовании меди или кремния.

Органическая электроника включает в себя не только органические полупроводники , но и органические диэлектрики , проводники и светоизлучатели .

Новые приложения включают умные окна и электронную бумагу . Ожидается, что проводящие полимеры сыграют важную роль в зарождающейся науке молекулярных компьютеров .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хаген Клаук (ред.) Органическая электроника: материалы, производство и применение 2006, Wiley-VCH, Вайнхайм. Печать ISBN  9783527312641 .
  2. ^ Хаген Клаук (ред.) Органическая электроника. Дополнительные материалы и приложения 2010, Wiley-VCH, Weinheim. ISBN 9783527640218 электронная книга. 
  3. ^ Паоло Самори, Франко Качиалли Функциональные супрамолекулярные архитектуры: для органической электроники и нанотехнологий 2010 Wiley ISBN 978-3-527-32611-2 
  4. ^ МакНейл, Р.; Сиудак, Р.; Уордлоу, Дж. Х.; Вайс, Д. Э. (1963). «Электронная проводимость в полимерах. I. Химическая структура полипиррола». Aust. J. Chem. 16 (6): 1056–1075. doi :10.1071/CH9631056.
  5. ^ "Нобелевская премия по химии 2000 года". Nobelprize.org. Nobel Media.
  6. ^ CA 272437, Лилиенфельд, Юлиус Эдгар, «Механизм управления электрическим током», опубликовано 1927-07-19 
  7. ^ Коезука, Х.; Цумура, А.; Андо, Т. (1987). «Полевой транзистор с тонкой пленкой политиофена». Синтетические металлы . 18 (1–3): 699–704. doi :10.1016/0379-6779(87)90964-7.
  8. ^ Хасегава, Тацуо; Такея, Джун (2009). «Органические полевые транзисторы с использованием одиночных кристаллов». Sci. Technol. Adv. Mater. (бесплатная загрузка). 10 (2): 024314. Bibcode :2009STAdM..10b4314H. doi :10.1088/1468-6996/10/2/024314. PMC 5090444 . PMID  27877287. 
  9. ^ Ямашита, Ёсиро (2009). «Органические полупроводники для органических полевых транзисторов». Sci. Technol. Adv. Mater. (бесплатная загрузка). 10 (2): 024313. Bibcode :2009STAdM..10b4313Y. doi :10.1088/1468-6996/10/2/024313. PMC 5090443 . PMID  27877286. 
  10. ^ Димитракопулос, CD; Маленфант, PRL (2002). «Органические тонкопленочные транзисторы для электроники большой площади». Adv. Mater . 14 (2): 99. doi :10.1002/1521-4095(20020116)14:2<99::AID-ADMA99>3.0.CO;2-9.
  11. ^ Риз, Колин; Робертс, Марк; Линг, Манг-Манг; Бао, Чжэнань (2004). «Органические тонкопленочные транзисторы». Mater. Today . 7 (9): 20. doi : 10.1016/S1369-7021(04)00398-0 .
  12. ^ Клаук, Хаген (2010). «Органические тонкопленочные транзисторы». Chem. Soc. Rev. 39 ( 7): 2643–66. doi :10.1039/B909902F. PMID  20396828.
  13. ^ Форрест, С. (2012). «Энергоэффективность с органической электроникой: Чинг В. Тан вспоминает свои дни в Kodak». MRS Bulletin . 37 (6): 552–553. Bibcode : 2012MRSBu..37..552F. doi : 10.1557/mrs.2012.125 .
  14. ^ Малликен, Роберт С. (январь 1950 г.). «Структуры комплексов, образованных молекулами галогенов с ароматическими и кислородсодержащими растворителями 1». Журнал Американского химического общества . 72 (1): 600–608. doi :10.1021/ja01157a151. ISSN  0002-7863.
  15. ^ Бернаноуз, А.; Конт, М.; Вуо, П. (1953). «Новый метод испускания света некоторыми органическими соединениями». J. Chim. Phys . 50 : 64–68. doi :10.1051/jcp/1953500064.
  16. ^ Бернаноуз, А.; Вуо, П. (1953). «Органический электролюминесцентный тип излучения». J. Chim. Phys . 50 : 261–263. doi :10.1051/jcp/1953500261.
  17. ^ ab Tang, CW; Vanslyke, SA (1987). "Органические электролюминесцентные диоды". Applied Physics Letters . 51 (12): 913. Bibcode : 1987ApPhL..51..913T. doi : 10.1063/1.98799.
  18. ^ Форрест, Стивен Р. (2020). «В ожидании второго акта: что лежит за пределами органических светодиодных (OLED) дисплеев для органической электроники?». Нанофотоника . 10 (1): 31–40. Bibcode : 2020Nanop..10..322F. doi : 10.1515/nanoph-2020-0322 .
  19. ^ Burroughes, JH; Bradley, DDC; Brown, AR; Marks, RN; MacKay, K.; Friend, RH; Burns, PL; Holmes, AB (1990). «Светоизлучающие диоды на основе сопряженных полимеров». Nature . 347 (6293): 539–541. Bibcode :1990Natur.347..539B. doi :10.1038/347539a0. S2CID  43158308.
  20. ^ Baldo, MA; O'Brien, DF; You, Y.; Shoustikov, A.; Sibley, S.; Thompson, ME; Forrest, SR (1998). "Высокоэффективное фосфоресцентное излучение органических электролюминесцентных устройств". Nature . 395 (6698): 151–154. Bibcode :1998Natur.395..151B. doi :10.1038/25954. S2CID  4393960.
  21. ^ Национальный исследовательский совет (2015). Гибкая электроника Opportunity. The National Academies Press. С. 105–6. ISBN 978-0-309-30591-4.
  22. ^ Д. Шассо; Г. Комбертон; Ж. Готье; К. Хау (1978). «Исследование структуры комплекса гексаметилен-тетратиафульвален-тетрацианохинодиметан». Acta Crystallographica Раздел B. 34 (2): 689. doi : 10.1107/S0567740878003830.
  23. ^ Daniel J. Gaspar, Evgueni Polikarpov, ред. (2015). OLED Fundamentals: Materials, Devices, and Processing of Organic Light-Emitting Diodes (1-е изд.). CRC Press. ISBN 978-1466515185.
  24. ^ Пиромреун, Понгпун; О, Хвансуль; Шен, Юлонг; Маллиарас, Джордж Г.; Скотт, Дж. Кэмпбелл; Брок, Фил Дж. (2000). «Роль CsF в инжекции электронов в сопряженный полимер». Applied Physics Letters . 77 (15): 2403. Bibcode : 2000ApPhL..77.2403P. doi : 10.1063/1.1317547.
  25. ^ Холмс, Рассел; Эриксон, Н.; Люссем, Бьёрн; Лео, Карл (27 августа 2010 г.). «Высокоэффективные однослойные органические светоизлучающие устройства на основе излучающего слоя с градуированным составом». Applied Physics Letters . 97 (1): 083308. Bibcode : 2010ApPhL..97a3308S. doi : 10.1063/1.3460285.
  26. ^ Burroughes, JH; Bradley, DDC; Brown, AR; Marks, RN; MacKay, K.; Friend, RH; Burns, PL; Holmes, AB (1990). "Светоизлучающие диоды на основе сопряженных полимеров". Nature . 347 (6293): 539. Bibcode :1990Natur.347..539B. doi :10.1038/347539a0. S2CID  43158308.
  27. ^ Буллис, Кевин (17 октября 2008 г.). «Массовое производство пластиковых солнечных элементов». Обзор технологий .
  28. ^ Аб Кох, Кристиан (2002) Niedertemperaturabscheidung von Dünnschicht-Silicium für Solarzellen auf Kunststofffolien, Докторская диссертация, ipe.uni-stuttgart.de
  29. ^ Рагу Дас, IDTechEx (25 сентября 2008 г.). «Печатная электроника — это ниша? — 25 сентября 2008 г.». Electronics Weekly . Получено 14 февраля 2010 г.
  30. ^ プラスチックフィルム上の有機TFT駆動有機E Lディスプレイで世界初のフルカラー表示を実現. sony.co.jp (на японском языке)
  31. ↑ Гибкий полноцветный OLED-дисплей. pinktentacle.com (24 июня 2007 г.).
  32. ^ Nelson J. (2002). "Органические фотоэлектрические пленки". Current Opinion in Solid State and Materials Science . 6 (1): 87–95. Bibcode : 2002COSSM...6...87N. doi : 10.1016/S1359-0286(02)00006-2.
  33. ^ Холлс Дж. Дж. М. и Френд Р. Х. (2001). Арчер М. Д. и Хилл РД (ред.). Чистое электричество от фотоэлектрических элементов . Лондон: Imperial College Press. С. 377–445. ISBN 978-1860941610.
  34. ^ Хоппе, Х.; Сарычифтчи, Н.С. (2004). «Органические солнечные элементы: обзор». J. Mater. Res . 19 (7): 1924–1945. Bibcode : 2004JMatR..19.1924H. doi : 10.1557/JMR.2004.0252.
  35. ^ McGehee DG & Topinka MA (2006). «Солнечные элементы: Картины из смешанной зоны». Nature Materials . 5 (9): 675–676. Bibcode : 2006NatMa...5..675M. doi : 10.1038/nmat1723. PMID  16946723. S2CID  43074502.
  36. ^ Сугияма, Масахиро; Янке, Софи; Уэмура, Такафуми; Кондо, Масая; Иноуэ, Юми; Намба, Наоко; Араки, Теппей; Фукусима, Таканори; Секитани, Цуёси (сентябрь 2021 г.). «Повышение мобильности органических тонкопленочных транзисторов на основе производных DNTT и BTBT путем модификации молекулы триптицена». Organic Electronics . 96 : 106219. doi : 10.1016/j.orgel.2021.106219 .
  37. ^ Энтони, Джон Э.; Факкетти, Антонио; Хини, Мартин; Мардер, Сет Р.; Чжань, Сяовэй (8 сентября 2010 г.). «Органические полупроводники n-типа в органической электронике». Advanced Materials . 22 (34): 3876–3892. doi :10.1002/adma.200903628. PMID  20715063. S2CID  205235378.
  38. ^ Чжао, Ян; Го, Юньлун; Лю, Юньци (11 октября 2013 г.). «Статья к 25-летию: Последние достижения в области n-типа и амбиполярных органических полевых транзисторов». Продвинутые материалы . 25 (38): 5372–5391. дои : 10.1002/adma.201302315. PMID  24038388. S2CID  6042903.
  39. ^ Ди, Чун-ань; Чжан, Фэнцзяо; Чжу, Даобэнь (18 января 2013 г.). «Многофункциональная интеграция органических полевых транзисторов (OFET): достижения и перспективы». Advanced Materials . 25 (3): 313–330. doi :10.1002/adma.201201502. PMID  22865814. S2CID  26645918.
  40. ^ Dudhe, Ravishankar S.; Sinha, Jasmine; Kumar, Anil; Rao, V. Ramgopal (30 июня 2010 г.). «Датчик OFET на основе полимерного композита с улучшенной чувствительностью к взрывчатым парам на основе нитро». Датчики и приводы B: Химия . 148 (1): 158–165. doi :10.1016/j.snb.2010.04.022. ISSN  0925-4005.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки