Презентация "Органическая электроника: достижения и перспективы" – проект, доклад

Органическая электроника: достижения и перспективы

Пономаренко С.А. Химический факультет МГУ Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН ponomarenko@ispm.ru www.ispm.ru/lab8.html

Что такое органическая электроника?

Может быть как органической, так и неорганической или гибридной

Любая электроника, которую можно напечатать на бумаге

Электроника, основанная на сопряженных полимерах

Электроника на уровне 1 молекулы

Любая электроника на гибкой основе

1. Возможность создания сверхтонких и сверхлегких устройств на гибкой основе

2. Совместимость со струйными и печатными технологиями

3. Выход на новые рынки и удешевление технологии производства

Недостатки:

Недостаточно высокие характеристики получаемых устройств 2. Недолговечность в обычных условиях

Преимущества органической электроники

Нобелевская премия по химии 2000 г.

“For the Discovery and Development of Conductive Polymers” (За открытие и исследование проводящих полимеров)

Alan Heeger (Алан Хигер) University of California at Santa Barbara (род. 1936)

Alan MacDiarmid (Алан МакДиармид) University of Pennsylvania (1927 - 2007)

Hideki Shirakawa (Хидеки Сиракава) University of Tsukuba (род. 1936)

Традиционная (неорганическая) электроника

Собственная проводимость

зависит от температуры

Примесная проводимость

+ -

1. Быстродействие 2. Долговечность

донорная примесь электронная провод-ть полупроводник n-типа

акцепторная примесь дырочная провод-ть полупроводник р-типа

1. Высокая стоимость производства: - кремния (необходима сверхчистота) - устройств (литография/гравировка) 2. Токсичность производства (As, Ga, Te)

Органическая (полимерная) электроника

На основе сопряженных олигомеров и полимеров

1. Для полимера идеальная чистота недостижима 2. Существующие примеси компенсируют друг друга, поэтому нужны большие количества допанта (%) 3. Допирование часто проводят за счет инжекции заряда с электродов

пентацен секситиофен

, ’ -дигексил-кватротиофен

поли(3-гексилтиофен) P3HT

Вакуумная сублимация

Переработка из растворов: spin-coating, dip-coatig, Doctor Blading, Печатные методы (струйная печать, флексография и др.)

Растворимые производные фуллеренов

p-типа n-типа

Органические полупроводящие материалы и методы их переработки

Малые молекулы (олигомеры)

Полимеры

Цепочка PSS с олигомерами PEDOT

Темплатная полимеризация в водной среде 3,4-этилендиокси-тиофена (EDOT) в присутствии полистиролсульфокислоты (PSS) Ионообменная хроматография Харасткристики продукта: Тамно-синяя дисперсия Концентрация 1.3% [или выше] от степень полимеризации сегментов EDOT от 5 до 15 Дырочно допирован, примерно 1 дырка на 3 мономерных звена

Проводящие полимерные дисперсии: PEDOT-PSS

BAYTRON® P (сейчас CleviosTM).

Challenge:

Улучшение проводимости PEDOT:PSS

С момента начала промышленного производства PEDOT:PSS удалось повысить проводимость более чем на два порядка!

In situ PEDOT/Tos 10-6 S/cm 102 S/cm 10-2 S/cm

дырочно-инжектирующий слой

PEDOT/PSS formulations PEDOT/PSS PEDOT/PSS PLED Grades

Применение PEDOT:PSS различной проводимости

антистатические покрытия

проводящий слой полупроводник проводник

В зависимости от условий производства удается варьировать проводимость PEDOT:PSS в широком интервале, и каждая градация находит применение в различных устройствах (не только электронных!).

органические тонкопленочные транзисторы и ИС на их основе

органические светодиоды и дисплеи на их основе

органические фотовольтаические преобразователи (солнечные батареи)

Основные устройства органической электроники

Органический тонкопленочный (полевой) транзистор (ОТПТ) – OFET, OTFT (англ.)

Органическая фотовольтаическая ячейка (солнечная батарея, фотодетектор)

Органический светоизлучающий диод (ОСИД) – OLED (англ.)

Верхние контакты: И – исток, С – сток

Толщина каждого функционального слоя – от 10 до 500 нм

Монослойные органические транзисторы

Идеальная структура (пока недостигнутая цель): ОТПТ с монослойным полупроводником и монослойным диэлектриком

Толщина слоев ~ 3-5 нм

Транспорт зарядов на 90% происходит в верхнем слое пленки, т.е. для монослоевых пленок достижимы значения проводимости, сравнимые с блочными пленками.

Edsger C. P. Smits et al. Nature, 455, 956–959 (2008) 2. Fatemeh Gholamrezaie et al. Nano Lett., 10, 1998–2002 (2010)

Биодеградируемые органические полевые транзисторы

M. Irimia-Vladu, et.al. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 4069

Органические полупроводники на основе природных красителей

Тирский пурпур

Пу́рпур (от лат. purpura — пурпур, греч. πορφύρα), также в античных источниках тирский пурпур — краситель различных оттенков от багряного до пурпурно-фиолетового цвета, извлекавшийся из морских брюхоногих моллюсков — иглянок.

Раковины Murex brandaris L.

Крашенная пурпуром шерсть

Крашенный пурпуром шёлк

Transfer and (c and d) output characteristics of an tyrian purple based OFET on evaporated polyethylene-passivated aluminum oxide dielectric on glass substrate.

Y. Kanbur, et.al. Organic Electronics 2012, 13, 919

Transponder circuit is used as intelligent price tag

Электронные метки радиочастотной идентификации

Схематическое изображение различных типов органических светоизлучающих диодов (ОСИДов)

Органический СИМ – органический светоизлучающий материал ДТС – дырочно-транспортный слой ЭТС – электроно-транспортный слой ДБС – дырочно-блокирующий слой ЭБС – электроно-блокирующий слой

простейший однослойный ОСИД

многослойные ОСИДы

PPV F Al ITO

Электролюминесценция

Спиновая статистика: 25 % синглетов

EF V

Решение проблемы: фосфоресцентные ОСИДы

допант матрица

Диаграмма хроматичности цветового пространства CIE 1931 и расположение на ней основных цветов.

[Ir(fppz)2 (dfbdp)] Adv. Mater. 2009, 21, 2221 η = 12% CIE (0.15,0.11)

Commercial Production OLED Lighting Panels with World’ s Highest Color Rendering Index of CRI = 93 (Lumiotec, 2012)

Современные панели ОСИД

Индекс цветопередачи, коэффициент цветопередачи (colour rendering index, CRI) — параметр, характеризующий уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света.

Требования DOE к энергетически эффективному освещению: Эффективность панели (168 Лм/Вт) Время жизни (L70 – 100 000 ч) Качество цветопередачи (CRI > 85; Цветовая температура 2580 -3710 K) Прогресс на лабораторном уровне: 0.83 Лм/Вт Kido et al, Appl.Phys.Lett., 1994 38 Лм/Вт Forrest Nature, 2006 90 Лм/Вт Leo et al, Nature, 2009 99 Лм/Вт So et al, Adv. Energy Mater. 2011 128 Лм/Вт Panasonic 2011 Белые панели ОСИД приближаются к требованиям DOE: 45.7 Лм/Вт Kodak 12/2009 58 Лм/Вт UDC 2011 SID 87 Лм/Вт Osram 2011

Белые ОСИДы

F. Capelli, M. Muccini, at. al., Nature Materials 2010, 9, 496–503

Органические светоизлучающие транзисторы

Трехслойный ОСИТ

Диаграмма энергетических уровней

Диффузионная длина  10 nm

Двухслойное устройство

10-20 нм

Органические фотовольтаические ячейки

AM1.5G - Air Mass 1.5 – воздушно-массовый коэффициент, характеризующий солнечный спектр, проходящий через атмосферу, где 1,5 – толщина атмосферы, при которой работают наземные солнечные батареи.

Спектр солнечного света AM1.5 и спектры поглощения некоторых материалов, используемых в полимерных солнечных батареях

Расчетная эффективность «идеальной» полимерной фотовольтаической ячейки

M. C. Scharber, A. J. Heeger, C. J. Brabec, at. al., Adv. Mater. 2006, 18, 789.

Концепция «слабый донор – сильный акцептор»

Zhou, H.; Yang, L.; Stoneking, S.; You, W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 2, 1377

Рост эффективности органических солнечных батарей

Сегодня органические солнечные батареи находятся на пороге коммерциализации

10.3 % 11.2011 Mitsubishi Chemical tetrabenzoporphyrin

9.0 % 28.2.2012 Konarka (USA) Polymer/fullerene

12.0 % 01.2013 Heliatek (Dresden) Small molecules/ sublimation

Легкость Гибкость Энергоэффективность Большая площадь Прозрачность Низкая стоимость производства Отсутствие высоковакуумных процессов Отсутствие литографии Недорогие субстраты (пластик, бумага, одежда…) простота интегрирования в конечные устройства

ФИЛЬМ !

Спасибо за внимание!