stringtranslate.com

Органическая электроника

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

Органическая электроника — это область материаловедения , занимающаяся проектированием, синтезом , характеристикой и применением органических молекул или полимеров , которые демонстрируют желаемые электронные свойства, такие как проводимость . В отличие от обычных неорганических проводников и полупроводников , органические электронные материалы создаются 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 потенциальная низкая стоимость по сравнению с традиционной электроникой. [1] [2] [3] Привлекательными свойствами полимерных проводников являются их электропроводность (которая может варьироваться в зависимости от концентрации легирующих примесей ) и сравнительно высокая механическая гибкость . Проблемы при внедрении органических электронных материалов заключаются в их низкой термической стабильности , высокой стоимости и разнообразных проблемах при изготовлении.

История

Электропроводящие полимеры

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

В 1862 году Генри Летеби описал полианилин , который, как впоследствии было показано, является электропроводным. Серьезная работа над другими полимерными органическими материалами началась в 1960-х годах. Например, в 1963 году было показано, что производное тетрайодпиррола обладает проводимостью 1 См/см (S = Сименс ). [4] В 1977 году было обнаружено, что окисление увеличивает проводимость полиацетилена . Нобелевская премия по химии 2000 года была присуждена Алану Дж. Хигеру , Алану Г. МакДиармиду и Хидеки Сиракаве за их работу над полиацетиленом и родственными проводящими полимерами. [5] Было идентифицировано множество семейств электропроводящих полимеров, включая политиофен , полифениленсульфид и другие.

Дж. Э. Лилиенфельд [6] впервые предложил полевой транзистор в 1930 году, но о первом OFET не сообщалось до 1987 года, когда Koezuka et al. построил один с использованием политиофена [7] , который показывает чрезвычайно высокую проводимость. Было показано, что другие проводящие полимеры действуют как полупроводники, а о новых синтезированных и охарактеризованных соединениях еженедельно сообщается в известных исследовательских журналах. Существует множество обзорных статей, документирующих разработку этих материалов . [8] [9] [10] [11] [12]

В 1987 году первый органический диод был произведен в компании Eastman Kodak Чингом В. Тангом и Стивеном Ван Слайком . [13]

Электропроводящие соли с переносом заряда

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

Свет и электропроводность

Андре Бернаноз [15] [16] был первым человеком, наблюдавшим электролюминесценцию в органических материалах . Чинг В. Тан и Стивен Ван Слайк [17] сообщили о изготовлении первого практического устройства OLED в 1987 году . Устройство OLED включало в себя двухслойную структуру, состоящую из фталоцианина меди и производного диангидрида перилентетракарбоновой кислоты . [18]

В 1990 году полимерные светодиоды были продемонстрированы Брэдли , Берроузом , Френдом . Переход от молекулярных к макромолекулярным материалам решил ранее возникшие проблемы с долгосрочной стабильностью органических пленок и позволил легко создавать высококачественные пленки. [19] В конце 1990-х годов было показано, что высокоэффективные электролюминесцентные добавки значительно повышают светоизлучающую эффективность органических светодиодов. [20] Эти результаты показали, что электролюминесцентные материалы могут вытеснить традиционное освещение с горячей нитью накаливания. Последующие исследования привели к созданию многослойных полимеров, и новая область исследований в области пластиковой электроники и органических светодиодов (OLED) и производство устройств быстро росли. [21]

Проводящие органические материалы

Вид с ребра части кристаллической структуры гексаметиленовой соли переноса заряда TTF-TCNQ , подчеркивающий сегрегированную укладку. Такие молекулярные полупроводники обладают анизотропной электропроводностью. [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, при частичном окислении часто образуют полупроводниковые материалы.

Проводящие полимеры часто обычно являются проводящими по своей природе или, по крайней мере, полупроводниками. Иногда они демонстрируют механические свойства, сравнимые со свойствами обычных органических полимеров. И органический синтез, 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 представляют собой электролюминесцентные полупроводниковые полимеры. Поли(3-алкитиофены) были включены в прототипы солнечных элементов и транзисторов .

Органический светодиод

OLED (органический светоизлучающий диод) состоит из тонкой пленки органического материала, которая излучает свет под воздействием электрического тока. Типичный OLED состоит из анода, катода, органического материала OLED и проводящего слоя. [23]

Br6A, семейство чистых 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: низкомолекулярные и полимерные. Маломолекулярные OLED (SM-OLED) включают трис(8-гидроксихинолинато)алюминий [17], флуоресцентные и фосфоресцентные красители, а также конъюгированные 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 методом термического испарения в вакууме . Хотя этот метод позволяет формировать хорошо контролируемую однородную пленку ; сдерживается высокой стоимостью и ограниченной масштабируемостью. [24] [25] Полимерные светодиоды (PLED) обычно более эффективны, чем SM-OLED. Обычные полимеры, используемые в PLED, включают производные поли(п-фениленвинилена) [26] и полифлуорена . Излучаемый цвет обусловлен структурой полимера. По сравнению с термическим испарением методы на основе растворов больше подходят для создания пленок больших размеров.

Органический полевой транзистор

Рубрен-ОФЕТ с наибольшей подвижностью заряда

Органический полевой транзистор (OFET) — это полевой транзистор, в котором в качестве активного полупроводникового слоя используются органические молекулы или полимеры. Полевой транзистор ( FET ) — это любой полупроводниковый материал, который с помощью электрического поля управляет формой канала одного типа носителей заряда , тем самым изменяя его проводимость. Двумя основными классами полевых транзисторов являются полупроводники n-типа и p-типа, классифицируемые в зависимости от типа переносимого заряда. В случае органических полевых транзисторов (OFET) соединения OFET p-типа обычно более стабильны, чем n-типа, из-за восприимчивости последних к окислительному повреждению.

Что касается органических светодиодов, некоторые OFET являются молекулярными, а некоторые представляют собой системы на основе полимеров. ОПТ на основе рубрена демонстрируют высокую подвижность носителей тока 20–40 см 2 /(В·с). Еще один популярный материал OFET — пентацен . Из-за его низкой растворимости в большинстве органических растворителей трудно изготовить тонкопленочные транзисторы ( TFT ) из самого пентацена, используя традиционные методы центрифугирования или нанесения покрытия погружением , но это препятствие можно преодолеть, используя производное TIPS-пентацена.

Органические электронные устройства

Гибкий дисплей на основе органических веществ
Пять структур органических фотоэлектрических материалов

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

  1. Так называемое « рулонное » осаждение на гибкие листы гораздо проще реализовать с точки зрения технологических усилий, чем осаждение на хрупкие и тяжелые стеклянные листы .
  2. Транспортировка и установка легких гибких солнечных элементов также экономят средства по сравнению с элементами на стекле.

Недорогие полимерные подложки, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или поликарбонат (ПК), потенциально могут способствовать дальнейшему снижению затрат в фотоэлектрических системах. Протоморфные солнечные элементы оказались многообещающей концепцией эффективных и недорогих фотоэлектрических элементов на дешевых и гибких подложках для производства на больших площадях, а также для небольших и мобильных приложений. [28]

Одним из преимуществ печатной электроники является то, что различные электрические и электронные компоненты можно печатать друг на друге, что экономит место и повышает надежность, а иногда все они прозрачны. Одна краска не должна повреждать другую, а низкотемпературный отжиг жизненно важен, если необходимо использовать недорогие гибкие материалы, такие как бумага и пластиковая пленка . Здесь задействовано много сложных инженерных и химических процессов, среди лидеров iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co.|Merck, BASF, HC Starck, Hitachi Chemical и Frontier Carbon Corporation. [29] В настоящее время широко используются электронные устройства на основе органических соединений , и разрабатывается множество новых продуктов. Sony сообщила о первом полноцветном гибком пластиковом дисплее со скоростью видеосъемки, изготовленном исключительно из органических материалов ; [30] [31] телевизионный экран на основе OLED-материалов; Также доступна биоразлагаемая электроника на основе органических соединений и недорогие органические солнечные элементы .

Методы изготовления

Малые молекулы полупроводников часто нерастворимы , что требует осаждения методом вакуумной сублимации . Устройства на основе проводящих полимеров могут быть изготовлены методами обработки растворов. Как обработка в растворе, так и вакуумные методы позволяют получить аморфные и поликристаллические пленки с различной степенью беспорядка. Методы «мокрого» нанесения покрытия требуют растворения полимеров в летучем растворителе , фильтрации и нанесения на подложку . Распространенные примеры нанесения покрытий на основе растворителей включают литье каплями, центрифугирование , ракельную печать, струйную печать и трафаретную печать . Нанесение покрытия центрифугированием — широко используемый метод производства тонких пленок небольшой площади . Это может привести к значительным потерям материала. Технология ракеля приводит к минимальным потерям материала и была разработана в первую очередь для производства тонких пленок большой площади. Термическое осаждение малых молекул в вакууме требует испарения молекул из горячего источника. Затем молекулы транспортируются через вакуум на подложку. Процесс конденсации этих молекул на поверхности подложки приводит к образованию тонкой пленки. Методы мокрого покрытия в некоторых случаях могут применяться к небольшим молекулам в зависимости от их растворимости.

Органические солнечные батареи

Двухслойный органический фотоэлектрический элемент

Органические полупроводниковые диоды преобразуют свет в электричество. На рисунке справа показаны пять широко используемых органических фотоэлектрических материалов. Электроны в этих органических молекулах могут делокализоваться на 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 запрещенной зоной органических фотоэлектрических материалов. Обычно ширина запрещенной зоны лежит в диапазоне 1-4 эВ. [32] [33] [34]

Разница в запрещенной зоне органических фотоэлектрических материалов приводит к разным химическим структурам и формам органических солнечных элементов . Различные формы солнечных элементов включают однослойные органические фотоэлектрические элементы, двухслойные органические фотоэлектрические элементы и фотоэлектрические элементы с гетеропереходом. Однако все три типа солнечных элементов используют подход, заключающийся в размещении органического электронного слоя между двумя металлическими проводниками, обычно оксидом индия и олова . [35]

Иллюстрация устройства тонкопленочных транзисторов

Органические полевые транзисторы

Органический полевой транзистор представляет собой трехвыводное устройство (исток, сток и затвор). Носители заряда перемещаются между истоком и стоком, а затвор служит для управления проводимостью пути. В основном существует 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, метиловый эфир фениловой C61 масляной кислоты, PCBM). [37] Некоторые органические полупроводники также могут иметь характеристики как p-типа, так и n-типа (т.е. амбиполярные). [38]

Такая технология позволяет изготавливать гибкую и недорогую электронику большой площади. [39] Одним из основных преимуществ является то, что, поскольку процесс в основном является низкотемпературным по сравнению с КМОП, можно использовать различные типы материалов. Это, в свою очередь, делает их отличными кандидатами на роль сенсоров. [40]

Функции

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

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

Новые приложения включают «умные окна» и электронную бумагу . Ожидается, что проводящие полимеры будут играть важную роль в развивающейся науке о молекулярных компьютерах .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хаген Клаук (ред.) Органическая электроника: материалы, производство и применение, 2006, Wiley-VCH, Вайнхайм. Распечатать ISBN  9783527312641 .
  2. ^ Хаген Клаук (ред.) Органическая электроника. Больше материалов и приложений 2010, Wiley-VCH, Вайнхайм. ISBN 9783527640218 электронный бк. 
  3. ^ Паоло Самори, Франко Качиалли Функциональные супрамолекулярные архитектуры: для органической электроники и нанотехнологий, 2010 Wiley ISBN 978-3-527-32611-2 
  4. ^ Макнил, Р.; Сиудак, Р.; Уордлоу, Дж. Х.; Вайс, Делавэр (1963). «Электронная проводимость в полимерах. I. Химическая структура полипиррола». Ауст. Дж. Хим. 16 (6): 1056–1075. дои : 10.1071/CH9631056.
  5. ^ «Нобелевская премия по химии 2000 г.». Нобелевская премия.org. Нобелевские СМИ.
  6. ^ CA 272437, Лилиенфельд, Юлиус Эдгар, «Механизм контроля электрического тока», опубликовано 19 июля 1927 г. 
  7. ^ Коэдзука, Х.; Цумура, А.; Андо, Т. (1987). «Полевой транзистор с тонкой пленкой из политиофена». Синтетические металлы . 18 (1–3): 699–704. дои : 10.1016/0379-6779(87)90964-7.
  8. ^ Хасэгава, Тацуо; Такея, июнь (2009). «Органические полевые транзисторы на монокристаллах». наук. Технол. Адв. Матер. (Скачать бесплатно). 10 (2): 024314. Бибкод : 2009STAdM..10b4314H. дои : 10.1088/1468-6996/10/2/024314. ПМК 5090444 . ПМИД  27877287. 
  9. ^ Ямасита, Ёсиро (2009). «Органические полупроводники для органических полевых транзисторов». наук. Технол. Адв. Матер. (Скачать бесплатно). 10 (2): 024313. Бибкод : 2009STAdM..10b4313Y. дои : 10.1088/1468-6996/10/2/024313. ПМК 5090443 . ПМИД  27877286. 
  10. ^ Димитракопулос, CD; Маленфант, ПРЛ (2002). «Органические тонкопленочные транзисторы для электроники большой площади». Адв. Мэтр . 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». Матер. Сегодня . 7 (9): 20. дои : 10.1016/S1369-7021(04)00398-0 .
  12. ^ Клаук, Хаген (2010). «Органические тонкопленочные транзисторы». хим. Соц. Преподобный . 39 (7): 2643–66. дои : 10.1039/B909902F. ПМИД  20396828.
  13. ^ Форрест, С. (2012). «Энергоэффективность с помощью органической электроники: Чинг В. Тан вспоминает свои дни в Kodak». Вестник МРС . 37 (6): 552–553. Бибкод : 2012MRSBu..37..552F. дои : 10.1557/mrs.2012.125 .
  14. ^ Малликен, Роберт С. (январь 1950 г.). «Структура комплексов молекул галогенов с ароматическими и кислородсодержащими растворителями 1». Журнал Американского химического общества . 72 (1): 600–608. дои : 10.1021/ja01157a151. ISSN  0002-7863.
  15. ^ Бернаноз, А.; Конт, М.; Вуо, П. (1953). «Новый метод излучения света некоторыми органическими соединениями». Дж. Чим. Физ . 50 : 64–68. дои : 10.1051/jcp/1953500064.
  16. ^ Бернаноз, А.; Вуо, П. (1953). «Органический электролюминесцентный тип излучения». Дж. Чим. Физ . 50 : 261–263. дои : 10.1051/jcp/1953500261.
  17. ^ Аб Тан, CW; Ванслик, SA (1987). «Органические электролюминесцентные диоды». Письма по прикладной физике . 51 (12): 913. Бибкод : 1987ApPhL..51..913T. дои : 10.1063/1.98799.
  18. ^ Форрест, Стивен Р. (2020). «В ожидании акта 2: что скрывается за дисплеями на органических светодиодах (OLED) для органической электроники?». Нанофотоника . 10 (1): 31–40. Бибкод : 2020Nanop..10..322F. дои : 10.1515/nanoph-2020-0322 .
  19. ^ Берроуз, Дж. Х.; Брэдли, доктор медицинских наук; Браун, Арканзас; Маркс, Р.Н.; Маккей, К.; Друг, Р.Х.; Бернс, Польша; Холмс, AB (1990). «Светодиоды на основе сопряженных полимеров». Природа . 347 (6293): 539–541. Бибкод : 1990Natur.347..539B. дои : 10.1038/347539a0. S2CID  43158308.
  20. ^ Бальдо, Массачусетс; О'Брайен, DF; Ты, Ю.; Шустиков А.; Сибли, С.; Томпсон, Мэн; Форрест, СР (1998). «Высокоэффективное фосфоресцентное излучение органических электролюминесцентных устройств». Природа . 395 (6698): 151–154. Бибкод : 1998Natur.395..151B. дои : 10.1038/25954. S2CID  4393960.
  21. ^ Национальный исследовательский совет (2015). Возможности гибкой электроники. Пресса национальных академий. стр. 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. ^ Дэниел Дж. Гаспар, Евгений Поликарпов, изд. (2015). Основы OLED: материалы, устройства и обработка органических светодиодов (1-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-1466515185.
  24. ^ Пиромреун, Понгпун; О, Хвансул; Шен, Юлун; Маллиарас, Джордж Г.; Скотт, Дж. Кэмпбелл; Брок, Фил Дж. (2000). «Роль CsF в инжекции электронов в сопряженный полимер». Письма по прикладной физике . 77 (15): 2403. Бибкод : 2000ApPhL..77.2403P. дои : 10.1063/1.1317547.
  25. ^ Холмс, Рассел; Эриксон, Н.; Люссем, Бьёрн; Лео, Карл (27 августа 2010 г.). «Высокоэффективные однослойные органические светоизлучающие устройства на основе эмиссионного слоя градиентного состава». Письма по прикладной физике . 97 (1): 083308. Бибкод : 2010ApPhL..97a3308S. дои : 10.1063/1.3460285.
  26. ^ Берроуз, Дж. Х.; Брэдли, доктор медицинских наук; Браун, Арканзас; Маркс, Р.Н.; Маккей, К.; Друг, Р.Х.; Бернс, Польша; Холмс, AB (1990). «Светодиоды на основе сопряженных полимеров». Природа . 347 (6293): 539. Бибкод : 1990Natur.347..539B. дои : 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. ^ Рагху Дас, IDTechEx (25 сентября 2008 г.). «Печатная электроника – это ниша? – 25 сентября 2008 г.». Еженедельник электроники . Проверено 14 февраля 2010 г.
  30. ^ プラスチックフィルム上の有機TFT駆動有機EL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. ^ Нельсон Дж. (2002). «Органические фотоэлектрические пленки». Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 6 (1): 87–95. Бибкод : 2002COSSM...6...87N. дои : 10.1016/S1359-0286(02)00006-2.
  33. ^ Холлы JJM и Friend RH (2001). Арчер, доктор медицинских наук и Хилл, доктор медицинских наук (ред.). Чистое электричество из фотогальваники . Лондон: Издательство Имперского колледжа. стр. 377–445. ISBN 978-1860941610.
  34. ^ Хоппе, Х.; Сарычифтчи, Н.С. (2004). «Органические солнечные элементы: обзор». Дж. Матер. Рез . 19 (7): 1924–1945. Бибкод : 2004JMatR..19.1924H. дои : 10.1557/JMR.2004.0252.
  35. ^ МакГи Д.Г. и Топинка М.А. (2006). «Солнечные элементы: фотографии из смешанной зоны». Природные материалы . 5 (9): 675–676. Бибкод : 2006NatMa...5..675M. дои : 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». Органическая электроника . 96 : 106219. дои : 10.1016/j.orgel.2021.106219 .
  37. ^ Энтони, Джон Э.; Факкетти, Антонио; Хини, Мартин; Мардер, Сет Р.; Чжан, Сяовэй (8 сентября 2010 г.). «Органические полупроводники n-типа в органической электронике». Передовые материалы . 22 (34): 3876–3892. дои : 10.1002/adma.200903628. PMID  20715063. S2CID  205235378.
  38. ^ Чжао, Ян; Го, Юньлун; Лю, Юньци (11 октября 2013 г.). «Статья, посвященная 25-летию: Последние достижения в области n-типа и амбиполярных органических полевых транзисторов». Передовые материалы . 25 (38): 5372–5391. дои : 10.1002/adma.201302315. PMID  24038388. S2CID  6042903.
  39. ^ Ди, Чонъань; Чжан, Фэнцзяо; Чжу, Даобэнь (18 января 2013 г.). «Многофункциональная интеграция органических полевых транзисторов (OFET): достижения и перспективы». Передовые материалы . 25 (3): 313–330. дои : 10.1002/adma.201201502. PMID  22865814. S2CID  26645918.
  40. ^ Дудхе, Равишанкар С.; Синха, Жасмин; Кумар, Анил; Рао, В. Рамгопал (30 июня 2010 г.). «Датчик OFET на основе полимерного композита с повышенной чувствительностью к парам взрывчатых веществ на основе нитро». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 148 (1): 158–165. дои :10.1016/j.snb.2010.04.022. ISSN  0925-4005.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки