Загрузил oleg.ukrainskiy

Лекция13

реклама
Оптические явления в
низкоразмерных
структурах
Тимошенко Виктор Юрьевич
Гончар Кирилл Александрович
Московский Государственный Университет
им. М. В. Ломоносова, Физический факультет
Лекция 13. Оптические свойства и
применения органических
полупроводников
Исторические аспекты органической
оптоэлектроники: факты и аналогии.
Базовые свойства органических
полупроводников (ОП). Преимущества ОП
Недостатки ОП. Применения ОП в
светоизлучающей и фоточувствительной
оптоэлектронике. Прогноз будущего ОП.
Органические и неорганические
полупроводники (сравнение)
• Silicon based inorganic
material
• Covalently bonded
crystals


Оrganic molecules
based material
Van der Waals
bonded crystals
Органические полупроводники
(определения и общие сведения )
Органические полупроводники - твёрдые органические вещества, которые
имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную
или дырочную проводимости.
К полупроводникам органическим относятся органические
красители (например, метиленовый голубой, фталоцианины),
ароматические соединения (нафталин, антрацен, виолантрен и др.),
полимеры с сопряжёнными связями, некоторые природные
пигменты (хлорофилл, b-каротин и др.), молекулярные комплексы
с переносом заряда, а также ион-радикальные соли.
Полупроводники органические существуют в виде монокристаллов,
поликристаллических или аморфных порошков и плёнок.
Величины удельного сопротивления при комнатной температуре
у органических полупроводников лежат в диапазоне от 1018 ом×см
(нафталин, антрацен) до 1 ом×см (проводящие полимеры). Наиболее
проводящими полупроводниками органическими являются ионрадикальные
соли,
на
основе
анион-радикала
тетрацианхинодиметана. Они обнаруживают электропроводность
металлического характера. У полупроводников органических с низкой
электропроводностью наблюдается явление фотопроводимости.
• Полупроводники органические характеризуются наличием в
молекулах системы сопряжения электронных связей.
• Носители тока в полупроводниках органических образуются в
результате возбуждения -электронов, делокализованных по системе
сопряжённых связей.
• Энергия активации, необходимая для образования носителей тока в
полупроводниках органических, снижается по мере увеличения числа
сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой
энергии.
К органическим полупроводникам
относятся соединения, содержащие
атомы углерода с sp2pz
гибридизацией атомных орбиталей.
В этом случае три электронные
орбитали атома углерода лежат в
одной плоскости (σ-связи), и одна pорбиталь перпендикулярна этой
плоскости (π-связи).
Электроны, образующие σ-связь,
строго локализованы, электроны на
π-орбиталях локализованы
существенно слабее. Именно эти
электроны обеспечивают
проводимость органических
соединений. Основное состояние
формируется из двух состояний с
разными энергиями (π−π∗). На языке
молекулярных орбиталей эти
состоянияоб означаются как HOMO
(highest occupied molecular orbital) и
LUMO (lowest unoccupied molecular
orbital). Энергетический зазор между
HOMO и LUMO определяет ширину
запрещенной зоны.
История открытия
электропроводящих полимеров
• В начале 1977 японский химик Ширакава (Shirakawa)
изучал полимеризацию ацителена и обнаружил
результат реакции в виде малоприметного черного
порошка
• Случайно один из приглашенных ученых случайно
добавил в реакционную среду большее, чем нужно,
количество катализатора и обнаружил появление
серебристой пленки на поверхности жидкого
полимера.
• Встал закономерный вопрос: «Если пленка пластика
имеет металлический цвет, то может она также
проводит электричество как металл?»
Official Nobel Website
Nobel Prize in Chemistry 2000
Polymer Chain
Преимущества органических
полупроводников
• Organic electronics are lighter, more flexible
• Low-Cost Electronics
– No vacuum processing
– No lithography (printing)
– Low-cost substrates (plastic, paper, even
cloth…)
– Direct integration on package (lower insertion
costs)
Сравнение органических и
неорганических полупроводников
Organic Electronic
Silicon
Cost
$5 / ft2
$100 / ft2
Fabrication Cost
Low Capital
$1-$10 billion
Device Size
10 ft x Roll to Roll
< 1m2
Material
Flexible Plastic Substrate
Rigid Glass or Metal
Required Conditions
Ambient Processing
Ultra Cleanroom
Process
Continuous Direct Printing
Multi-step Photolithography
Недостатки органических
полупроводников
• Conductive polymers have high resistance and
therefore are not good conductors of electricity.
• Because of poor electronic behavior (lower mobility),
they have much smaller bandwidths.
• Shorter lifetimes and are much more dependant on
stable environment conditions than inorganic
electronics would be.
Применения
• Displays:
– (OLED) Organic Light Emitting Diodes
• RFID :
– Organic Nano-Radio Frequency Identification
Devices
• Solar cells
Органические светоизлучающие
устройства (OLED)
• One of the biggest applications of organic
transistors right now.
Organic TFTs may be used to drive LCDs and
potentially even OLEDs, allowing integration of entire
displays on plastic.
• Brighter displays
• Thinner displays
• More flexible
Динамика развития органических
и неорганических светодиодов
Основные принципы OLED
Механизм OLED
Материалы для OLED
Фотолюминесценция
Электролюминесценция
Спектры электролюминесценции
и поглощение света
(Стоксов сдвиг)
Механизмы электропроводности
Многоцветные и
многослойные OLED
OLET (Organic Light Emitting
Transistor) - органические
светоизлучающие транзисторы
•Структура активной зоны OLET состоит из трех органических слоев. Нижний и
верхний слои изготовлены из полупроводника n-типа и p-типа соответственно.
Средний слой служит источником фотонов. Суммарная толщина всех трех слоев
равна 62 нм.
•Трехслойная структура обеспечивает высокий КПД, устраняя некоторые
принципиальные недостатки OLED. По данным разработчиков, по эффективности
OLET предложенной ими структуры превосходит «эквивалентный OLED» в 100 раз,
«оптимизированный OLED с тем же светоизлучающим слоем» — в два раза, любой
другой OLET — в 10 раз.
•Предполагается, что технология OLET может стать не только основой дисплеев
нового типа, но и найти применение в интегральных оптических соединениях.
OLED дисплеи и мониторы
Flat panel TV made from organic
LEDs. Manufactured by Sony.
Плейеры Sony и Microsoft, Walkman и
Zune HD совстроенными органическими
OLED – дисплеями
Преимущества OLED дисплеев
Недостатки OLED дисплеев
Фотоэлектрические
преобразователи (ФЭП) –
солнечные элементы
Органические солнечные
элементы
Принцип работы и эффективность
Гибридные фотоэлектрические
преобразователи (ФЭП)
• The light falls on the polymer
• Electron/hole is generated
• The electron is captured C60
• The electricity is passed by the
nanotube
Примеры первых ФЭП (СЭ) из ОП
Тонкопленочные органические СЭ
Тонкопленочные СЭ из
органометаллических перовскитов
Оптические свойства
органометаллических перовскитов
CH3NH3PbI3
CH3NH3PbI2.75Br0.25
CH3NH3PbBr3
5
10
4
, см
-1
10
1.5
2.0
2.5
h, эВ
Состав
Eg1, эВ
Eg2, эВ
MAPbI3
1.55
2.10
MAPbI2.75Br0.25
1.70
2.20
MAPbBr3
2.45
3.05
3.0
Дригие применния органических
полупроводников
• «Умные» ткани
• Лаборатории на чипе
(Lab on a chip)
• Компактные плоские
экраны
• Лечение рака кожи
Прогноз в развитии электроники
Контрольные вопросы к Лекции 13:
• Каковы особенности электронных
свойств ОП?
• Что является аналогом краев зон
валентных электронов и проводимости?
• Каковы преимущества и недостатки ОП
для фотоэлектрических
преобразователей и светоилучающих
устройств ?
• Каковы перспективы ОП в
оптоэлектронике и других областях?
Скачать