Σεμινάριο Φυσικής «ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ» Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σ.Ε.Μ.Φ.Ε Γκογκόση Ελευθερία Σεμινάριο Φυσικής «ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ» Υπεύθυνο μέλος ΔΕΠ: Ράπτης Ιωάννης Ακαδημαϊκό έτος: 2005-2006

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΧΡΗΣΗ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ OLEDs LASERS ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ OFETs RFID ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Οι ημιαγωγοί έχουν παίξει κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη της τεχνολογίας αφού όλες οι ηλεκτρονικές διατάξεις (υπολογιστές, transistors, κ.α.) βασίζονται στη χρήση τους. Από το 1950 γίνονται έρευνες για τη χρήση οργανικών μορίων στην κατασκευή ημιαγωγών. Μόλις το 1980 εγκαινιάστηκαν οι πρώτες εφαρμογές οργανικών ηλεκτρονικών με τις οθόνες υγρών κρυστάλλων και τα τρανζίστορ FETs.

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΧΡΗΣΗ

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΧΡΗΣΗ

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Οι ιδιότητες των οργανικών ενώσεων μπορούν να ρυθμιστούν ελέγχοντας την παρασκευή τους Διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες Μεγάλο εύρος συχνοτήτων εκπεμπόμενης ακτινοβολίας Ευκολία επεξεργασίας (γίνονται φιλμ, είναι ελαστικά) Χαμηλό κόστος

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μικρή ευκινησία φορέων σε σχέση με τους κλασσικούς ημιαγωγούς Υπενθύμιση: Η ευκινησία φορέων (μ=υορ/E) εκφράζει την οριακή ταχύτητα ολίσθησης των φορέων, ανά μονάδα εφαρμοζόμενου εξωτερικού πεδίου. Μονάδες : (cm/s)/(V/cm) = cm2/(Vs) Τελικά, τα οργανικά δε μπορούν να αντικαταστήσουν το πυρίτιο, μπορούν όμως να βελτιώσουν τις ιδιότητές του 300Κ μe μh Si 1350 475 polymers 10-6-10-3

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ – ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Η παρασκευή καθαρών οργανικών ενώσεων με επιθυμητές ιδιότητες αποτελεί πρόκληση Το Βραβείο Νόμπελ Χημείας του 2005 δόθηκε στους Schrock, Grubbs & Chauvin για την ανάπτυξη της μεθόδου μετάθεσης στην οργανική σύνθεση Τα οργανικά μόρια επεξεργάζονται με τελείως διαφορετικούς τρόπους από τους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ – ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Οι οργανικοί ημιαγωγοί επεξεργάζονται στην υγρή φάση => αποδοτικότητα σε μεγάλες επιφάνειες, δυνατότητα κατευθείαν διαμόρφωσης του ημιαγωγού Ανόπτηση => βελτίωση των ιδιοτήτων του οργανικού Ειδικά για τα πολυμερή: διάλυση σε οργανικούς διαλύτες => ευκολία παρασκευής, λεπτά υμένια υψηλής ποιότητας, κατευθείαν εφαρμογή του υλικού σε υπόστρωμα, σύνθετες μορφολογίες (διεπαφές διαφορετικών ημιαγωγών)

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Στους οργανικούς ημιαγωγούς εκμεταλλευόμαστε τις ιδιότητες των οργανικών ενώσεων Τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας του άνθρακα αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν 1 από τα μοριακά τροχιακά sp3, sp2, sp

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Οι διπλοί δεσμοί μεταξύ δύο ατόμων άνθρακα προκύπτουν από αλληλοεπικάλυψη των sp2 τροχιακών Οι ημιαγώγιμες ιδιότητες των οργανικών οφείλονται σε διπλούς δεσμούς που σχηματίζονται κατά μήκος της ανθρακικής αλυσίδας

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Πώς κατασκευάζονται τα sp2 τροχιακά;

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Πώς σχηματίζονται οι διπλοί δεσμοί στην ανθρακική αλυσίδα;

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Πώς προκύπτουν οι ημιαγώγιμες ιδιότητες; Ζώνη αγωγιμότητας Ζώνη σθένους

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Συνέπειες, στην κίνηση των ηλεκτρονίων, της αλληλεπίδρασης των ατομικών τροχιακών, σε περιβάλλον συμπυκνωμένης ύλης Ζώνη Αγωγιμότητας Ενεργειακό Χάσμα Ζώνη Σθένους (Απόσταση ατόμων) Πλεγματική Σταθερά

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ Η ημιαγώγιμη συμπεριφορά των πολυμερών εξαρτάται και από τη δομή τους στο χώρο

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ Οι ατέλειες στα πολυμερή επηρεάζονται από τη θέση εξιτονίων και επηρεάζουν την ευκινησία φορέων

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ Ενέργεια σύνδεσης εξιτονίου Eg

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ Στους μοριακούς ημιαγωγούς εμφανίζονται χαμηλές διηλεκτρικές σταθερές, ε~3, και έτσι τα εξιτόνια είναι αρκετά εντοπισμένα μέσα στο μόριο, ρ~0,3nm. Στα πολυμερή τα spin-singlet εξιτόνια έχουν ρ~10nm ενώ τα spin-triplet είναι αρκετά πιο εντοπισμένα.

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ Τα εντοπισμένα εξιτόνια είναι αυτά που αλληλεπιδρούν με το πλέγμα και επηρεάζουν τη δομή των ενεργειακών ζωνών Οι φορείς μεταπηδούν μεταξύ εντοπισμένων ενεργειακών καταστάσεων με ευκινησία 10-10-10-3 cm2/Vs, ακολουθώντας γκαουσιανή κατανομή Η ευκινησία των φορέων εξαρτάται έντονα από την επιβολή εξωτερικού πεδίου

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OLEDs Το εξιτόνιο παγιδεύεται στην επιφάνεια διεπαφής των πολυμερών για κάποιο χρόνο ζωής τ και ύστερα ακτινοβολεί

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OLEDs Τα στρώματα των πολυμερών διατάσσονται κατάλληλα για να δώσουν επιθυμητούς χρωματικούς συνδυασμούς ακόμα και ολόκληρη τη γκάμα των χρωμάτων

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ – OLEDs Κατασκευάζονται φωτεινές πηγές και οθόνες (κινητών, PC κ.α.) με χαμηλό κόστος παρασκευής, χαμηλή κατανάλωση και μικρότερες διαστάσεις

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ – LASERS Η τεχνολογία των LEDs μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκπομπή μονοχρωματικής ακτινοβολίας μεγάλης έντασης Για να συμβεί αυτό χρειάζεται πηγή τροφοδοσίας Το μήκος κύματος ακτινοβολίας που εκπέμπουν μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία Βρίσκουν εφαρμογή στις επικοινωνίες και στα ρολόγια

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Απόδοση n=5-6% Όταν το ενεργειακό βήμα των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας στη διεπαφή των πολυμερών γίνει αρκούντως μεγάλο δε μπορούν να σχηματιστούν εξιτόνια –ιονίζονται.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OFETs

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OFETs Η περιοχή απογύμνωσης του ημιαγωγού αναπτύσσεται αυξάνοντας την τάση μεταξύ των source και gate με αποτέλεσμα την αυξομείωση του ρεύματος που διαρρέει τον ημιαγωγό

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - RFID Τα RFID περιέχουν τσιπάκια και κεραίες με τις οποίες λαμβάνουν ραδιοσυχνότητες από κάποιο πομποδέκτη και εκπέμπουν σήμα πίσω σ’ αυτόν

ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ Παρασκευή καθαρών οργανικών ενώσεων Μείωση του κόστους με την εξέλιξη στις μεθόδους επεξεργασίας Μείωση των διαστάσεων των ημιαγωγών Επινόηση καινούριων εφαρμογών Κατασκευή πιο σύνθετων διατάξεων για τις υπάρχουσες εφαρμογές

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ G.G. Malliaras and R.H. Friend, “An organic electronics primer”, Physics Today 58, 53 (2005) J. Shaw and P. Seidler. “Organic electronics: Introduction”. IBM Journal of Research and Development, 45(1):3--10, 2001 Nandita Madhavan, “Small-molecule organic semiconductors” Dimitrakopoulos CD, Mascaro DJ. “Organic thin film transistors: a review of recent advances”. IBM J. Res. & Dev., vol 45, no 1: 11 - 27, 2001 S. O. Kasap, “Principles of Electronic Materials and Devices”, 2nd Ed. http://en.wikipedia.org/wiki/Organic_electronics http://www.nobelprize.org