Σεμινάριο Φυσικής «ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ»

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σ.Ε.Μ.Φ.ΕΓκογκόση Ελευθερία

Υπεύθυνο μέλος ΔΕΠ: Ράπτης ΙωάννηςΑκαδημαϊκό έτος: 2005-2006

Σεμινάριο ΦυσικήςΣεμινάριο Φυσικής

«ΟΡΓΑΝΙΚΑ «ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ»ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ»

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗΧΡΗΣΗΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

OLEDsLASERSΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑOFETs

RFID

ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗΙΣΤΟΡΙΚΗ 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 –ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΧΡΗΣΗΧΡΗΣΗ

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ –ΧΡΗΣΗΧΡΗΣΗ

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

• 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 - ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ - ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ

• 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 μhSi 1350 475

polymers 10-6-10-3 10-6-10-3

ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ – ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ – ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & 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 – ΟΡΓΑΝΙΚΟΙ ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ – ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΠΑΡΑΣΚΕΥΗ & 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 ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

• 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 ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

• 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 ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

Πώς κατασκευάζονται τα sp2 τροχιακά;

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

Πώς σχηματίζονται οι διπλοί δεσμοί στην ανθρακική αλυσίδα;

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

Πώς προκύπτουν οι ημιαγώγιμες ιδιότητες;

Ζώνη σθένους

Ζώνη αγωγιμότητας

ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΕΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝΗΜΙΑΓΩΓΩΝ

ΕνεργειακόΧάσμα

Συνέπειες, στην κίνηση των ηλεκτρονίων, της αλληλεπίδρασης των ατομικών τροχιακών,

σε περιβάλλον συμπυκνωμένης ύλης

Ζώνη Αγωγιμότητας

Ζώνη Σθένους

(Απόσταση ατόμων)Πλεγματική Σταθερά

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝΟ ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ• Η ημιαγώγιμη συμπεριφορά των πολυμερών

εξαρτάται και από τη δομή τους στο χώρο

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝΟ ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ

Οι ατέλειες στα πολυμερήεπηρεάζονται από τη θέση εξιτονίων και επηρεάζουν την ευκινησία φορέων

Eg

Ενέργεια σύνδεσης εξιτονίου

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝΟ ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝ

Ο ΡΟΛΟΣ Των ΕΞΙΤΟΝΙΩΝΟ 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 ΕΞΙΤΟΝΙΩΝΟ 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 - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OLEDsOLEDs

Το εξιτόνιο παγιδεύεται στην επιφάνεια διεπαφής των πολυμερών για κάποιο χρόνο ζωής τκαι ύστερα ακτινοβολεί

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OLEDsOLEDs

Τα στρώματα των πολυμερών διατάσσονται κατάλληλα για να δώσουν επιθυμητούς χρωματικούς συνδυασμούς

ακόμα και ολόκληρη τη γκάμα των χρωμάτων

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ – ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ – OLEDsOLEDs

Κατασκευάζονταιφωτεινές πηγές και οθόνες (κινητών, PCκ.α.) με χαμηλόκόστος παρασκευής,χαμηλή κατανάλωση και μικρότερες διαστάσεις

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ – ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ – LASERSLASERS

• 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 - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ

Όταν το ενεργειακό βήμα των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας στη διεπαφή των πολυμερών γίνει αρκούντως μεγάλο δε μπορούν να σχηματιστούν εξιτόνια –ιονίζονται.

Απόδοση

n=5-6%

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OFETsOFETs

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - OFETsOFETs

Η περιοχή απογύμνωσης του ημιαγωγού αναπτύσσεται αυξάνονταςτην τάση μεταξύ των source και gate με αποτέλεσμα την

αυξομείωση του ρεύματος που διαρρέει τον ημιαγωγό

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - RFIDΕΦΑΡΜΟΓΕΣ - RFIDΤα RFID περιέχουν τσιπάκια και κεραίες με τις οποίες λαμβάνουν

ραδιοσυχνότητες από κάποιο πομποδέκτη και εκπέμπουν σήμα πίσω σ’ αυτόν

ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ 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

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ• 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