Презентация на тему "Органическая электроника: достижения и перспективы"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Органическая электроника: достижения и перспективы

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

• 
  Слайд 2
  

  2 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 Может быть как органической, так и неорганической или гибридной Любая электроника на гибкой основе

• 
  Слайд 3
  

  3 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

• 
  Слайд 4
  

  4 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)

• 
  Слайд 5

  Традиционная (неорганическая) электроника

  5 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)

• 
  Слайд 6

  Органическая (полимерная) электроника

  6 На основе сопряженных олигомеров и полимеров Собственная проводимость Примесная проводимость 1. Для полимера идеальная чистота недостижима 2. Существующие примеси компенсируют друг друга, поэтому нужны большие количества допанта (%) 3. Допированиечасто проводят за счет инжекции заряда с электродов

• 
  Слайд 7
  

  7 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

• 
  Слайд 8
  

  8 Цепочка PSS с олигомерами PEDOT Полимерный комплекс PEDOT-PSS 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 дыркана 3 мономерных звена Проводящие полимерные дисперсии: PEDOT-PSS BAYTRON® P (сейчас CleviosTM).

• 
  Слайд 9
  

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

• 
  Слайд 10
  

  10 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!).

• 
  Слайд 11
  

  11 Plastic-IC an flexible polymer-foil органические тонкопленочные транзисторы и ИС на их основе органические светодиоды и дисплеи на их основе органические фотовольтаические преобразователи (солнечные батареи) Основные устройства органической электроники

• 
  Слайд 12
  

  12 Подложка (Анод) ITO PEDOT:PSS V Донор + акцептор катод 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 Затвор С И Диэлектрик Подложка Полупроводник Толщина каждого функционального слоя – от 10 до 500 нм Основные устройства органической электроники Подложка Анод (ITO) PEDOT:PSS Органический полупровод-ник V Катод (Al)

• 
  Слайд 13

  Монослойные органические транзисторы

  13 Затвор Подложка С И Идеальная структура (пока недостигнутая цель): ОТПТ с монослойным полупроводником и монослойным диэлектриком Толщина слоев ~3-5нм 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 Gholamrezaieet al. Nano Lett., 10, 1998–2002 (2010)

• 
  Слайд 14
  

  Биодеградируемые органические полевые транзисторы M. Irimia-Vladu, et.al. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 4069 14

• 
  Слайд 15
  

  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 15

• 
  Слайд 16
  

  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 16 Органические полупроводники на основе природных красителей

• 
  Слайд 17
  

  17 Transponder circuit is used as intelligent price tag Электронные метки радиочастотной идентификации

• 
  Слайд 18
  

  Подложка Анод Органический СИМ Катод Подложка Анод Органический СИМ Катод ДТС ЭБС ДБС ЭТС Подложка Анод Органический СИМ Катод ДТС ЭТС Подложка Анод Органический СИМ Катод ДТС Схематическое изображение различных типов органических светоизлучающих диодов (ОСИДов) ОрганическийСИМ – органическийсветоизлучающийматериал ДТС –дырочно-транспортныйслой ЭТС – электроно-транспортныйслой ДБС – дырочно-блокирующийслой ЭБС – электроно-блокирующийслой простейшийоднослойный ОСИД многослойныеОСИДы 18

• 
  Слайд 19
  

  PPV F Al ITO 1 - - + + 2 3 1 Инжекция зарядов 2 Миграция зарядов 3 Рекомбинация Электролюминесценция Спиновая статистика: 25 % синглетов EF EF V Синглет Экситоны Триплет ВЗМО НСМО НСМО ВЗМО 19 - +

• 
  Слайд 20
  

  20 Решение проблемы: фосфоресцентныеОСИДы допант матрица Диаграммахроматичностицветовогопространства CIE 1931 и расположениенанейосновныхцветов. [Ir(fppz)2(dfbdp)] Adv. Mater. 2009, 21, 2221 η = 12% CIE (0.15,0.11)

• 
  Слайд 21
  

  Commercial Production OLED Lighting Panels with World’ s Highest Color Rendering Index of CRI = 93 (Lumiotec, 2012) Современные панели ОСИД Индекс цветопередачи, коэффициент цветопередачи (colourrenderingindex, CRI) — параметр, характеризующий уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света.

• 
  Слайд 22
  

  22 Требования DOE к энергетически эффективному освещению: Эффективность панели (168 Лм/Вт) Время жизни (L70 – 100 000 ч) Качество цветопередачи (CRI > 85; Цветовая температура2580 -3710 K) Прогресс на лабораторном уровне: 0.83 Лм/ВтKido et al, Appl.Phys.Lett., 1994 38 Лм/ВтForrest Nature, 2006 90 Лм/ВтLeo et al, Nature, 2009 99 Лм/ВтSo et al, Adv. Energy Mater. 2011 128 Лм/ВтPanasonic 2011 Белые панели ОСИД приближаются к требованиям DOE: 45.7 Лм/Вт Kodak 12/2009 58 Лм/ВтUDC 2011 SID 87 Лм/ВтOsram 2011 Белые ОСИДы

• 
  Слайд 23
  

  23 F. Capelli, M.Muccini, at. al., Nature Materials2010, 9, 496–503 Органические светоизлучающие транзисторы Трехслойный ОСИТ Диаграмма энергетических уровней

• 
  Слайд 24
  

  Диффузионная длина  10 nm Двухслойное устройство стекло ITO Донор акцептор e h Поглощение света Перенос энергии Фотоиндуцированная генерация заряда Нанокомпозит донор-акцептор 10-20 нм Устройство с объемным гетеропереходом Подложка Анод (ITO) PEDOT:PSS V Донор + акцептор Катод Подложка Анод(ITO) PEDOT:PSS V акцептор донор Катод Органические фотовольтаические ячейки

• 
  Слайд 25
  

  AM1.5G - AirMass 1.5 – воздушно-массовый коэффициент, характеризующийсолнечный спектр, проходящий через атмосферу, где 1,5 – толщина атмосферы, при которойработают наземные солнечные батареи. Спектр солнечного света AM1.5и спектры поглощения некоторых материалов, используемых в полимерных солнечных батареях

• 
  Слайд 26
  

  Расчетная эффективность «идеальной» полимерной фотовольтаической ячейки M. C. Scharber, A. J.Heeger, C. J. Brabec,at. al., Adv. Mater. 2006, 18, 789.

• 
  Слайд 27
  

  Концепция «слабый донор – сильный акцептор» Zhou, H.; Yang, L.; Stoneking, S.; You, W. ACS Appl. Mater.Interfaces2010, 2, 1377

• 
  Слайд 28
  

  Рост эффективности органических солнечных батарей

• 
  Слайд 29
  

  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

• 
  Слайд 30
  

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

• 
  Слайд 31
  

  31 Спасибо за внимание!