Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое органическая электроника, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое органическая электроника, пластиковая электроника , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Под пластиковой или органической электроникой обычно понимают электронные компоненты, основой для создания которых являются полимеры, являющиеся полупроводниками в светодиодах и полностью замещающие кремний в микросхемах.
органическая электроника - это область материаловедения, касающаяся проектирования, синтеза , определения характеристик 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 создаются из органических (углеродных) молекул или полимеров с использованием синтетических стратегий, разработанных в контексте органической химии и химии полимеров .
Одно из обещанных преимуществ органической электроники - ее потенциальная низкая стоимость по сравнению с традиционной электроникой. К привлекательным свойствам полимерных проводников относятся их электропроводность (которая может варьироваться в зависимости от концентрации примесей ) и сравнительно высокая механическая гибкость . Некоторые обладают высокой термостойкостью .
Один класс материалов , представляющих интерес в органической электроники являются электрическими проводящая , то есть вещества , которые могут передавать электрические заряды с низким удельным сопротивлением. Традиционно проводящие материалы неорганические . Классические (и все еще технологически доминирующие) проводящие материалы - это металлы, такие как медь и алюминий, а также многие сплавы .
Самый ранний зарегистрированный органический проводящий материал, полианилин , был описан Генри Летеби в 1862 году. Серьезная работа над другими полимерными органическими материалами началась в 1960-х годах. В 1963 году было сообщено о высокой проводимости 1 См / см (S = Сименс ) для производного тетраиодопиррола. В 1977 году было обнаружено , что полиацетиленовое может быть окислен с галогенами для получения проводящих материалов либо из изоляционных или полупроводниковых материалов. Нобелевская премия по химии 2000 г. была присуждена Алану Дж. Хигеру , Алану Г. Мак-Диармиду и Хидеки Сиракава.совместно за их работу над проводящими полимерами. Эти и многие другие исследователи идентифицировали 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 полупроводниковые комплексные соли с переносом заряда 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 Чинг В. Танг и Стивен Ван Слайк выпустили первый органический диод в компании Eastman Kodak .
Брэдли , Берроуг , Френд и др. Сообщили о первоначальной характеристике основных свойств полимерных светоизлучающих диодов, демонстрирующей, что явление эмиссии света было инжекционной электролюминесценцией и что частотная характеристика была достаточно быстрой, чтобы можно было использовать видеодисплеи . в газете Nature 1990 года . Переход от молекулярных материалов к макромолекулярным материалам решил проблемы, с которыми ранее сталкивались с долговременной стабильностью органических пленок, и позволил легко получать высококачественные пленки. В результате последующих исследований были разработаны многослойные полимеры и новая область пластиковой электроники и органических светодиодов.(OLED) исследования и производство устройств быстро росли.
В 2000 году Алану Макдиармиду из Пенсильванского университета, Алану Хигеру из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Хидэки Сиракаве из Цукубского университетаruen была присуждена Нобелевская премия по химии за то, что им впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник. Это открытие и результаты других исследований электрических свойств органических материалов открыли путь к новой электронике, основанной на органических материалах.
В 2004 году была создана пластмасса «Олиготрон» (Oligotron) американской компанией TDA Research по контракту с американским Национальным научным фондом. От прежних образчиков так называемой органической электроники новый материал отличается нерастворимостью в воде.
До «Олиготрона» лучшим выбором основы для разнообразной органической электроники, такой как органические светодиоды, был растворимый в воде Pedot (полиэтилендиокситиофенruen).
Позже Polymer Vision, «инкубатор технологий» Philips, изготовила дисплей с диагональю 5 дюймов и радиусом кривизны 2 см.
Параллельно с Philips и прочими ведущими компаниями исследованиями занимались молодые фирмы, среди которых Cambridge Display Technologiesruen (CDT) и Plastic Logicruen — две научно-исследовательские компании, базирующиеся в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета.
CDT сумела создать светодиоды, основанные на полиэлектролитах (PLED, которые являются подгруппой органических светодиодов OLED), которые могут быть нанесены на пригодную к формовке и даже гибкую основу, к примеру — листы ПЭТ.
Plastic Logic изначально специализировалась на использовании экзотических полимеров (полупроводников и проводников) и металлов в тонкопленочных транзисторах (TFT), что применяются в активных матричных соединительных платах, при помощи которых осуществляется контроль за дисплеями и выполняются прочие функции.
В настоящее время Plastic Logic является крупнейшей фирмой, производящей исследования в области развития пластиковой электроники и одна из немногих в мире компаний, разрабатывающая технологию полимерных соединительных плат.
Для создания пластиковой электроники применяется несколько различных типов полимеров, проводящих и полупроводящих. Plastic Logic пользуется услугами ряда поставщиков, в первую очередь Dow Chemical, которая производит полиэтилендиокси-тиофен/полистролсульфоновую кислоту (PDOT/PSS) и полидиоктилфтор-кобитиофен (F8T2).
Plastic Logic заключила соглашение о взаимном обмене лицензиями с фирмой Epson. Siemens создала совместное предприятие с печатной компанией Kurz. Несколько ведущих химических компаний также вовлечены в это движение.
В январе 2011 года компания Роснано инвестировала в компанию Plastic Logic $150 млн и был заключен договор о создании завода по производству пластиковой электроники нового поколения в Зеленограде.
Органические материалы по многим параметрам уступают традиционным. Современные техпроцессы позволяют производить из кремния многослойные схемы чрезвычайно высокой концентрации (вплоть до технологических норм 18 нм). Высокое число свободных носителей в кремнии и их низкая эффективная масса (по сравнению с доступными полимерами) позволяют компонентам кремниевых микросхем работать на высоких частотах, вплоть до терагерца (в логических схемах). Еще более высокие частоты достижимы при применении арсенида галлия.
Соединения в традиционных техпроцессах выполняются алюминием, медью и даже золотом, прекрасными проводниками электричества. Струйные технологии, применяемые в пластиковой электронике, сейчас предполагают применение полимерных соединений или металлосодержащих проводящих паст, заметно уступающих чистому металлу.
Представляется крайне сомнительным, что в обозримом будущем полимерные схемы достигнут характеристик, хоть сколько-нибудь сравнимых с кремниевыми (на вторую половину 2011 года самый быстродействующий пластиковый процессор имеет тактовую частоту в несколько килогерц, что в миллионы раз меньше типичной частоты кремниевых процессоров, а по общей производительности уступает кремниевым аналогам почти в миллиард раз).
Полимерные проводники также быстрее деградируют и менее устойчивы к действию ионизирующих излучений.
Органические материалы, в свою очередь, легче, пластичнее, им проще придавать нужную форму. К тому же, органических материалов можно синтезировать бесконечное множество, заменяя в них отдельные блоки, легко создавая таким образом материалы с заранее заданными свойствами. В качестве иллюстрации можно привести полноцветные дисплеи на органических светодиодах, где зеленый цвет появился через несколько лет после демонстрации черно-желтого прототипа; проблема же эффективных неорганических зеленых светодиодов до сих пор так и не решена ввиду сложности формирования полупроводника с необходимой шириной запрещенной зоны. Важнейшим достоинством таких материалов является их низкая цена, в сравнении с кремниевыми аналогами.
Огромное преимущество пластиковой электроники заключается в том, что она может быть изготовлена прямым образом, используя автоматическое проектирование при очень высокой скорости производства. При этом процессе создаются гибкие поверхности большого размера, производимые при помощи струйной печати и не требующие применения сложной фотолитографии и вакуумных систем, которые необходимы для создания транзисторов на основе кристаллического кремния. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Струйные технологии легко и дешево перестраиваются (не нужно делать чрезвычайно дорогостоящий набор масок, как для кремния), что чрезвычайно выгодно для малосерийных (тиражом менее десятков тысяч) схем. В принципе, каждая схема может быть уникальной, что немыслимо для традиционной фотолитографии, используемой в «кремниевом» техпроцессе.
Низкие температуры технологических процессов позволяют использовать дешевые подложки и наносить схемы на самый широкий спектр материалов.
Недостатки пластиковых полупроводников (как то — малое быстродействие схем на их основе) для многих применений просто несущественны, в то время как стоимость — решающий параметр. В качестве примеров подобных применений можно назвать RFID-метки, интеллектуальные датчики, «умная упаковка», электронная бумага и дисплеи и т. д.
Полупроводниковые небольшие молекулы включают полициклические ароматические соединения, такие как пентацен и рубрен .
Типичные малые полупроводниковые молекулы
Электропроводящие полимеры обычно являются собственно проводящими или, по крайней мере, полупроводниками. Иногда они показывают механические свойства, сопоставимые с характеристиками обычных органических полимеров. Как органический синтез, так и передовые методы диспергирования могут использоваться для настройки электрических свойств проводящих полимеров, в отличие от типичных неорганических проводников. К наиболее хорошо изученному классу проводящих полимеров относятся полиацетилен , полипиррол , полианилин и их сополимеры . Поли (п-фениленвинилен) и его производные используются для электролюминесцентногополупроводниковые полимеры. Поли (3-алкитиофены) также являются типичным материалом для использования в солнечных элементах и транзисторах .
OLED (органический светоизлучающий диод) состоит из тонкой пленки из органического материала , который излучает свет при стимуляции электрического тока. Типичный OLED состоит из анода, катода, органического материала OLED и проводящего слоя.
Андре Бернаноз [10] [11] был первым человеком, который наблюдал электролюминесценцию в органических материалах , а Чинг В. Тан [12] сообщил о производстве OLED-устройства в 1987 году. OLED-устройство включало двухслойную структуру, состоящую из отдельных слои, транспортирующие дырки, и слои, транспортирующие электроны , при этом световое излучение происходит между двумя слоями. Их открытие открыло новую эру текущих исследований OLED и дизайна устройств.
Органические материалы OLED можно разделить на два основных семейства: низкомолекулярные и полимерные. Низкомолекулярные OLED (SM-OLED) включают металлоорганические хелаты (Alq3), [12] флуоресцентные и фосфоресцентные красители и конъюгированные дендримеры . Флуоресцентные красители можно выбирать в соответствии с желаемым диапазоном длин волн излучения ; соединения , такие как перилен и рубрены часто используются. Совсем недавно д-р Ким Дж. И др. [13] на Мичиганского университета сообщили чистый органический светоизлучающий кристалл, Br6A, модифицируя его галогеновую связь, 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 изготавливают методом термического испарения в вакууме . Хотя этот метод позволяет формировать хорошо контролируемую однородную пленку ; сдерживается высокой стоимостью и ограниченной масштабируемостью. [14] [15]
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) [16] 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 невозможно изготовить методом вакуумного напыления., и вместо этого должны обрабатываться с использованием методов на основе решений. По сравнению с термическим напылением, методы на основе растворов больше подходят для создания пленок больших размеров. Чжэнань Бао. [17] и др. в Стэнфордском университете сообщили о новом способе создания тонких органических полупроводниковых пленок большой площади с использованием выровненных монокристаллических доменов.
Органический полевой транзистор представляет собой полевой транзистор с использованием органических молекул или полимеров 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 полевых транзисторов - это полупроводники n-типа и p-типа, классифицируемые в соответствии с типом 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.
JE Lilienfeld [18] впервые предложил полевой транзистор в 1930 году, но о первом OFET не сообщалось до 1987 года, когда Koezuka et al. построенный с использованием политиофена [19], 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, документирующих развитие этих материалов . [20] [21] [22] [23] [24]
Как и 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 самую высокую подвижность носителей заряда 20–40 см 2 / (В · с). Еще одним популярным материалом OFET является пентацен . Из-за его низкой растворимости в большинстве органических растворителей трудно изготовить тонкопленочные транзисторы ( TFT ) из самого пентацена с использованием обычных методов центробежного литья или нанесения покрытия погружением , но это препятствие можно преодолеть с помощью производного TIPS-пентацена. Текущие исследования больше сосредоточены на тонкопленочных транзисторах ( TFT) модель, исключающая использование токопроводящих материалов. Совсем недавно два исследования, проведенные доктором Бао З. [17] и соавт. и д-р Ким Дж. [25] и др. продемонстрировал контроль над формированием разработанных тонкопленочных транзисторов . Контролируя формирование 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, а не дорогостоящего кристаллического кремния, используемого 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 традиционным производством солнечных элементов. [26]
Кремниевые тонкопленочные солнечные элементы на гибких подложках позволяют значительно снизить стоимость фотоэлектрических элементов большой площади по нескольким причинам: [27]
Недорогие полимерные подложки, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или поликарбонат (ПК), могут способствовать дальнейшему снижению стоимости фотоэлектрических систем. 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. [27]
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 все они прозрачны. Одни чернила не должны повредить другие, и низкотемпературный отжиг жизненно важен, если будут использоваться недорогие гибкие материалы, такие как бумага и пластиковая пленка . Здесь задействовано много сложных инженерных и химических технологий, среди которых лидеры iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co. | Merck, BASF, HC Starck, Hitachi Chemical и Frontier Carbon Corporation. [28] Электронные устройства на основе органических соединений в настоящее время широко используются, и многие новые продукты находятся в стадии разработки. Sonyсообщила о первом полноцветном гибком пластиковом дисплее с высокой скоростью воспроизведения видео, изготовленном исключительно из органических материалов ; [29] [30] телеэкран на основе материалов OLED; Также доступна биоразлагаемая электроника на основе органических соединений и недорогие органические солнечные элементы.
Пять структур органических фотоэлектрических материалов
Существуют важные различия между обработкой низкомолекулярных органических полупроводников и полупроводниковых полимеров. Полупроводники с небольшими молекулами довольно часто нерастворимы и обычно требуют осаждения с помощью 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 различной степенью беспорядка. «Мокрые» технологии нанесения покрытия требуют, чтобы полимеры были растворены в летучем растворителе , отфильтрованы и нанесены на подложку.. Распространенные примеры методов нанесения покрытий на основе растворителей включают в себя капельное литье, центрифугирование, нанесение ракеля, струйную и трафаретную печать . Покрытие методом центрифугирования - это широко используемая технология производства тонких пленок на малых площадях . 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. Термическое осаждение малых молекул в вакууме требует испарениямолекул 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 фотоэлемент представляет собой устройство , которое использует органическую электронику 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 * -орбиталь, или нижняя незанятая молекулярная орбиталь ( НСМО ), называется запрещенной зоной органических фотоэлектрических материалов. Обычно ширина запрещенной зоны находится в диапазоне 1-4 эВ.
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 фотоэлектрические элементы с гетеропереходом . Однако все три из этих типов солнечных элементов разделяют подход, заключающийся в размещении органического электронного слоя между двумя металлическими проводниками, обычно из оксида индия и олова . [34]
Устройство на органических полевых транзисторах состоит из трех основных компонентов: истока, стока и затвора . Обычно полевой транзистор имеет две пластины , исток, контактирующий 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 . Тонкопленочный транзистор ( TFT ), в том числе, прост в изготовлении. В тонкопленочном транзистореисток и сток формируются путем непосредственного нанесения 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 границе раздела вызывает искривление полупроводника и, в конечном итоге, снижает зону проводимости по отношению к уровню Ферми полупроводника. Наконец, на границе раздела формируется канал с высокой проводимостью . [
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 умные окна и электронную бумагу . Ожидается, что проводящие полимеры будут играть важную роль в развивающейся науке о молекулярных компьютерах .
Исследование, описанное в статье про органическая электроника, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое органическая электроника, пластиковая электроника и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база