A polimer elektronika

Átírás

1 A polimer elektronika Tartalom Mi a polimer elektronika? Vezető szerves molekulák, polimerek; a vezetés mechanizmusa Anyagválaszték: vezetők, félvezetők, fénykibocsátók szigetelők, hordozók Technológiák Eszközök 1

2 Mikroelektronika Csökkenő méret Növekvő működési sebesség Drága alapanyag: egykristályos Si, GaAs, vegyületfélvezetők Nagyon drága technológia Tartós, hosszú életű eszközök A Moore törvény másképpen: Az új technológiai szint bevezetésének ára néhány ország nemzeti jövedelmében számolva Mi a polimer elektronika? polimer (szerves) elektronika Nyomtatott elektronika makroelektronika A közös terület a fontos Olcsó alapanyag Egyszerű, nagy teljesítményű technológia Nagy méretű eszközök Közös név nincs. 2

3 Makroelektronika Igény ~ nagy méretű elektronikus eszközökre: lapos képernyők, napelemek (vágy) hajlékony, papírszerű hordozójú kijelzőkre nagy sorozatú, rövid életciklusú eszközökre ( eldobható elektronika ) Szerves vezető anyagok kutatása ~ 50 éve Nobel díj: 2000 Első piaci termékek 2003 Mai állapot Gazdag, piacképes, de még fejleszthető anyagválaszték Többféle alkalmas rétegtechnológia eljárás, elsősorban nyomdatechnikai módszerek Még nem versenyképes ár Kérdéses stabilitás, élettartam Sok alkalmazási ötlet 3

4 Piaci termékek Sony has started to sell the XEL-1, the world's first OLED TV. (2007) The 11" 960x540 pixels TV costs 1,800$. LG 15 OLED TV (2010, 2000EURO) Piaci termékek LG (500 eft 7 MFt) 4

5 5

6 Vezető szerves molekulák, polimerek Molekulán belül konjugált kettőskötés rendszer. Delokalizált elektronok Kötő pálya: HOMO (legfelső betöltött molekulapálya) Nemkötő pálya: LUMO (legalsó betöltetlen molekulapálya) (Megfelel a vegyérték és vezetési sávnak) 6

7 Adalékolás részleges oxidálás (elektronleadás) p adalék (p-típusú polimerek esetén fémes vezetés) részleges redukálás (elektronfelvétel) n adalék (n-típusú polimerek esetén félvezető, szigetelő) Polipirrol példáján: pl. részleges oxidáció hatására p-típusú lesz Vezető szerves molekulák, polimerek Konjugált kettőskötéseket tartalmazó vezető polimerek 7

8 Vezető szerves molekulák, polimerek Kis molekulájú szerves félvezetők (1987 KODAK) Oldószermentes technológia LED-eknél jobb hatásfokú, mint a polimerek Dendrimerek Fullerén származékok Anyagválaszték, vezetők Alkalmazás elektródként Követelmények: Kis ellenállás Sima, egyenletes felület Kémiai stabilitás Megfelelő (alacsony) kilépési munka Fémek; nyomtatható tinta fém (nano)részecskékkel Fémoxidok; ITO (indium-ón-oxid) AZO ( ZnO-Al 2 O 3 ) Polianilin, PEDOT-PSS Szén nanocsövek 8

9 Vezetők Polimerek Fémeknél kb 1000 x nagyobb ellenállás PEDOT:PSS σ ~ 400 1/Ωcm Fényáteresztő Nyomtatható Hőállóság: >100 C, 1000 óra (poisztirol szulfonáttal adalékolt polietilendioxi-tiofen) Anyagválaszték, félvezetők Követelmények: Nagy elektron / lyuk mozgékonyság Sávszerkezet illeszkedjen az elektród kilépési energiájához kis ellenállású, ohmos kontaktus Nagyon tiszta anyag Oldható és oldatból réteg készíthető Stabil, környezetálló Anyag Egykristályos Si Mozgékonyság [cm 2 /Vs] Poli Si Amorf Si ~ 1 Pentacen ~ 1 Vezető polimerek ~ 0,1 9

10 Félvezetők Mozgékonyság függ a rétegkészítés módjától: Oldószer Koncentráció Leválasztás módja, hőmérséklete, Hordozó felülete Molekulák rendezettsége Anyagok: Kis molekulák, pl. pentacen Polimerek, pl. politiofen Nanoméretű szervetlen félvezetők beágyazva szervesbe Nagy előny a szerves molekulák gazdag alakíthatósága testre szabott tulajdonságok Anyagok Fénykibocsátó anyag: Kis molekulák, Szerves fém-komplexek Dendrimerek Polimerek Fluoreszcens, Foszforeszcens Kutatási irányok: Hasonló hatásfokú, élettartamú fehér komponensek Nagyobb hatásfok, élettartam 10

11 A fénykibocsátó polimer eszköz működése Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród + - Hordozó Emittált fény Az OLED fénykibocsátása Elektron-lyuk pár találkozás exciton Stabil képződmény Megszűnés energia felszabadulás foton kisugárzás Foszforeszcens OLED sávdiagramja feszültségmentes és bekapcsolt állapotban 11

12 Fehér OLED Zöld: Alq 3, tris(8-quinolato)al Narancs: pl. BePP 2 :rubrene Kék: pl. BePP 2, fenilpiridinbe TPD: trifenil-diamin A Fehér OLED A: a gerjesztés, exciton keletkezése B: az elektron lekerül a gerjesztett szintek aljára C: visszakerül alapállapotba foton kisugárzása nélkül G: fluoreszcens foton kibocsátásával rekombinálódik E foton = hν D: az energia átadódik egy másik részecskének (foszforeszcens adalék), E: Rekombinálódás, foszforeszcens foton kibocsátás E foton = hν A fényhasznosítás és a fénysűrűség változása a LED-re kapcsolt feszültség függvényében 12

13 Foszforeszcens OLED adalékai Néhány Ir komplex, és a velük megvalósítható foszforeszcencia színei Molecular engineering A szerves elektronika lehetősége: A HOMO LUMO szint hangolása Az alapvető funkció megtartása mellett a molekula-struktúra kis módosításával tudjuk az egyes tulajdonságokat finoman hangolni A sávszélesség ( szín) hangolása a szerkezet módosításával és a helyettesítés arányával 13

14 Dielektrikumok Speciális követelmények: Hibátlan réteg, n x 10nm Hibátlan határfelület a félvezető felé Nyomtathatóság Általános szigetelő követelmények: Nagy U át, ε rel, kis tgδ Használt anyagok: Klasszikus polimer szigetelők: PP, PVA, PMMA, PET, stb Szervetlen dielektrikumok: SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2, de ezek nem nyomtathatók Hordozók Követelmények Hajlékonyság Sima felület Kémiai ellenálló-képesség az aktív réteg oldószereivel szemben Anyagok: Üveg PET, PC, PI, PEN (polietilénnaftalát) Papír felületkezelés után Hajlékony üveg hordozó AFM felületi profil Ipari minőségű PEN, Megfelelő simaságú hordozó 14

15 Technológia, rétegfelvitel Követelmény: Rétegvastagság: nm µm Egyenletes vastagság Több réteg egymáson Nagy felületen nagy sebességgel Olcsó Kis mlekulák: OVPD, vákuumgőzölés Nyomtatás Minden hagyományos és új nyomtatási technológia használható Roll to roll technológia: egy soron egymás után az összes technológiai lépés Főképp polimerek oldataiból készíthető nyomtatható tinta Hagyományos chip beütetése beilleszthető a sorba 15

16 Technológia, Roll to-roll Versenyképes termék ettől várható Állandó sebességű hordozó szalag (megállítható) ~ 0,3 m/perc, cél: 5-10 m/perc Lépések egy lineáris sorba rendezve Műveleti idők összehangolva (nehéz! pl. nyomtatás << szárítás) Nyomtatás, szárítás, hőkezelés, vákuumgőzölés, ellenőrzés Gyártó berendezések Roll to roll rétegfelvitelre alkalmas párologtató berendezés Tintasugaras nyomtató 16

17 Nyomtatás Si szelet Szita Mélynyomás Flexo Offset Tinta sugaras Felbontás (µm) 0,05 >100 >15 > 40 > 15 > 50 Átl. Rétegvastagság (µm) 0, ,8 8 0,8 2,5 0,5 2 0,3 20 Tinta viszkozitása (Pas) - 0,5-50 0,05 0,2 0,05 0, ,001 0,04 Fontosabb nyomtatási módok és néhány jellemző paraméterük Nyomtatás Tintasugaras nyomtatóval készített tranzisztor A kapacitás és a felbontás kapcsolata Tintasugaras nyomtatás 17

18 Procedures for µcp source/drain electrodes for bottom contact organic transistors. Rogers J A et al. PNAS 2001;98: µcp = microcontact printing 2001 by National Academy of Sciences 18

19 Eszközök; Tranzisztor Vékonyréteg tranzisztor Amorf Si (poli Si) AMLCD (TFT) kijelzőkben OFET jellemzők: Méret: µm dielektrikum vastagság: n x 100 nm Minimális csatorna hossz A dielektrikum/félvezető határ sima és hibamentes Közelítőleg ohmos kontaktus a félvezető és az S, D elektródok között Fent: OFET keresztmetszeti rajza, Lent: Tintasugaras nyomtatással készített tranzisztor AFM felvétele Eszközök: RFID Rádiófrekvenciás azonosító címke Passzív/aktív: külső/saját energia Mikroelektronikai elemekből drága Nagymértékű elterjedés, ha az ár < 5 10 cent Teljes nyomtatott kivitelben 16 bites HF címke ~ 10 cm-ig olvasható HF 13,56MHz UHF ~900 MHz 19

20 Eszközök: OLED Világítástechnika Lehetőség egészen új típusú világításra Nagy sík felület Kis feszültség Versenyképes hatásfok Változtatható színek Problémák Élettartam, stabilitás Színvisszaadás (fehér) Kijelzők Lehetőség Aktív fényű kijelző ~ 180 látószög Nagyon vékony (mm) Hajlékony, Átlátszó, Papír(szerű) hordozón LED és OLED TV összehasonlítása 20

21 21

22 Eszközök, Display Aktív mátrixú OLED kijelző meghajtó áramköre és keresztmetszete Kisérleti termékek Áramforrások Elektrokémiai : elemek, akkumulátorok Szuperkapacitások Napelemek Mindegyik előállítható hajlékony hordozóra, vékonyréteg technológiával Nyomtatott elem rétegszerkezete és fotója 22

23 Áramforrások Akku és szuperkondenzátor hasonló szerkezete Akku és szuperkondenzátor tandem kapcsolása. Az akku kisülése alatt feltölti a kondenzátort R2R Légköri nyomáson gyártott Tandem napelem 23

24 Áramforrások Polimer napelem szerkezete Alkalmazási példa Fejlesztési tervek Érzékelők Intelligens ruházat Intelligens csomagolás lab on a chip Nyomásérzékelő mesterséges bőr 24

25 rubrene 25