доклад прилагается
advertisement
«Полимерные материалы – основа электроники будущего» А.Н.Лачинов Федеральное государственное бюджетное учреждение Уфимский научный центр Российской академии наук ПРЕЗИДИУМ г. Уфа 01-07-2015 План доклада • 1. Мотивация • УНЦ РАН – один из центров изучения фундаментальных проблем синтеза и электронных свойств полимерных материалов в РФ. • 2. Тенденции электроники будущего: • -Вся базовая часть электроники на долгие годы останется кремниевой. • -Глобальное направление – гибкая электроника. • -Перспектива гибкой электроники: технология – печатная электроника; материалы – органические низко- и высокомолекулярные соединения. • 3. Почему кремниевая электроника? • 4. Гибкая электроника. • 5. Печатная электроника. • 6. Полимерные материалы – основа гибкой печатной электроники. 1. Мотивация СИНТЕЗ полимеров: УНЦ РАН + ИНЭОС РАН Обнаружены новые физические явления, позволяющие контролировать электропроводность органического материала в интервале сопротивлений от изолятора до металла. СВОЙСТВА: в сотрудничестве с БГПУ, УГАТУ, МГУ, ИС РАН, Опубликовано более 600 научных работ, защищено около 25-ти кандидатских диссертаций и 10-ти докторских ИФХЭ РАН, ИБМХ, ОГУ, По оценкам независимых экспертов УНЦ РАН является единственным центром в Российской Федерации, в котором проводятся масштабные систематические исследования в области физики полимеров ФТИ РАН, ЛЭТИ Тенденции электроники будущего - Вся базовая часть электроники на долгие годы останется кремниевой. - Глобальное направление – гибкая электроника - Перспектива гибкой электроники: технология – печатная электроника; материалы – органические: низко- и высокомолекулярные 3. Почему кремниевая электроника сохранится? • Si обладает уникальной технологической особенностью: «легко» формирует на своей поверхности слой изолятора – окисный слой из SiO2. Остальные полупроводники таким свойством не обладают. Этот слой разделяет область переноса заряда (транспортный канал) и область приложения электрического поля (затвор) в полевом транзисторе (ПТ). ПТ – основной элемент современных электронных схем и устройств. 4. Гибкая электроника. Материаловедческий базис – конструктивноматериаловедческие особенности подложек, систем коммутации-изоляции и функциональных элементов; Технологический базис – комплекс способов формирования функциональных элементов и систем коммутации-изоляции, основанных на печатных рулонных трафаретных и капельно-струйных технологиях. [В.Лучинин Гибкая электроника //Наноиндустрия 2013, в.8] The Kopf Solarschiff 5. Печатная электроника print electronics Объединение понятий Первая напечатанная книга: Gutenberg Первая интегральная схема: Kilby Дисплеи фирмы Самсунг 5. Печатная электроника 5. Печатная электроника Printing = Additive Deposition * 1 step vs 6+ patterning steps Conventional process Printing process 5. Печатная электроника Inkjet Printing - Piezo - Thermal - Electrostatic - Acoustic Continuous Drop on demand Properties + non-contact + small ink quantities required + digital printing + low viscosity inks ~5-50cp -nozzle reliability -speed 6. Полимерные материалы – основа гибкой печатной электроники • 1. Полимерные материалы, как гибкая основа для электронных устройств • 2. Полимерные материалы, как электронные материалы (альтернатива кремнию) Проблемы органической электроники • • • • • • • 1. Сильное влияние окружающей среды (Окисление, деструкция, нежелательные химические реакции, необходимость капсулирования элементов) 2. Низкая проводимость (малые управляемые токи, изделия с малой мощностью) 3. Малые подвижности носителей заряда (низкочастотный диапазон, ограничение применений) Предполагаемое изменение подвижности носителей заряда полупроводников для применения в органической электронике. Классификация полимеров Несопряженные Сопряженные Примеры полиацетилен -(CH)x- полиэтилен -(CH2)x- Nobel prize 2000 Проводящие полимеры Overlap HOMO No overlap Не проводящие полимеры Объекты исследования полиариленфталиды C R C R O C C R: O n O (а), O n (б), (в), S (г ), (ж), (е), (д), CH 2 O O S (з), где R 3=H , алкил N R3 Модельное трехмерное изображение структурного звена полидифениленфталида. Синтез: ИНЭОС РАН + УНЦ РАН Решение проблем молекулярной электроники 1. Сильное влияние окружающей среды (Окисление, деструкция, нежелательные химические реакции, необходимость капсулирования элементов) Полиариленфталиды (ПАФ) являются несопряженными полимерами, стойкими к агрессивному влиянию окружающей среды, кислотам, щелочам. Обладают высокими пленкообразующими свойствами. ПАФ - термостойкие полимеры: температура начала размягчения на воздухе 360 ОС Решение проблем молекулярной электроники 2. Низкая проводимость (малые управляемые токи, изделия с малой мощностью) Обнаружены размерные эффекты, приводящие к аномально высокой проводимости пленок полимеров, являющихся изначально изоляторами Размерные эффекты в полимерных пленках 10 nm <D< 103 nm D металл полимер металл Условие возникновения металлической проводимости в диэлектрическом полимере: D<Zo – глубины проникновения поверхностного заряда в полимер Электропроводящие домены d ~20 nm металл полимер 10 nm <D< 103 nm Полимерная пленка до и после перехода в металлическое состояние металл Особенности транспорта заряда в тонких пленках • 1. Локальная электропроводность • до 105 и более 1011(Ohm·см)-1 • 2. Плотность тока до 106А/см2 • 3. Металлический тип проводимости • 3. Анизотропия проводимости • (ЖЭТФ 1992, т.102, 187; 2006, т. 129, 728 ) Новые физические явления в полимерных материалах, обнаруженные в УНЦ РАН II. Электронное переключение I. Электрооптические III.Электронные, включая нано- Давлением [Synth.Met.1991] Холодная эмиссия электронов Электро-люминесценция [Письма в ЖЭТФ 1993] Магнитным полем [Поверхность 2005] [ЖЭТФ 2006] Электрическим полем [Письма ЖЭТФ 1991] Термоионизацией ловушек [Письма ЖЭТФ 1995] Изменением граничных условий [ЖЭТФ 1997] Облучением частицами [Synth.Met.1993] Сверх-проводимость [Sol.State Comm.1994] Зарядовая нанопамять [Микросист. Тех. 2003] Квантовые точки [PLDS 2004] Insulator d1 EFp φB Eg EF2 EF1 Metal 1 Insulator polymer Metal 2 1MOhm – 10GOhm Resistance Switching phenomena in metal/PAP/metal structure Abnormally low Threshold value of influences or fields @RT Metal like state Pressure, electric field, temperature, traps ionization, irradiation, boundary condition change, magnetic field 20 Известные модели • 1. Инжекционная модель (1980 г. Ениколопян, Овчинников, Берлин) • 2. Высокотемператная сверхпроводимость – суперполярон (1989 г. Григоров, Ениколопян; 1994 Иглс) • 3. Левитация электрона (1991 Ельяшевич) • 4. Тепловой пробой – рост металлического дендрита (1997 Агринская) • 5. Модель Пономарева (1995) • 6. Модель узкой зоны Хикмотта (Hickmott T.W 1964) • 7. Модель баллистического транспорта • 8. Модель резонансного туннелирования • 9. Модель когерентного переноса заряда 21 Решение проблем молекулярной электроники 3. Малые подвижности носителей заряда (низкочастотный диапазон, ограничение применений) РЕШЕНИЕ: Создание квантоворазмерных структур двумерного типа, содержащих на границе раздела газ свободных электронов C C O C O C O C O C O O Транспортный слой UPPER POLYMER LAYER E L E C T R O D E E L E C T R O D E LOWER POLYMER LAYER 23 Polymer/Polymer Interface is it reality? Interface AFM image b) 0,5 μм а) c) 0,1 μм Poly(diphenylenephthalide)s (PDP) b’) d) а), b), b’) images of the chip of two layer polymer film; c), d) –relief of polymer film chip; 24 Temperature dependence of conductivity Sensor properties Black curve is two contact - two probe technique; blue curve is four probe technique μmax ~ 102cm2/V·c it is a record for organic materials! Perspectives are 104 cm2/V·c Humidity, (%) The change of current flowing along interface between two polymer films under various humidity. 25 Разрабатываемые направления СЕНСОРЫ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ СЕНСОРЫ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВЕЩЕСТВА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ДАТЧИКИ ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ И ДАКТИЛОСКОПИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ АКСЕЛЕРОМЕТРЫ СИСТЕМЫ АНАЛОГОВОГО ВВОДА ИНФОРМАЦИИ ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДАТЧИКИ ЛИНЕЙНЫЕ ПОЖАРНЫЕ ИЗВЕЩАТЕЛИ (ТЕРМОКАБЕЛЬ) ТРАНЗИСТОРЫ УПРАВЛЯЕМЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МАГНИТНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КЛАПАНЫ ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОНИКИ Электронное переключение Полимер Металл Металл ∆φ Давление Электрическое поле Магнитное поле Смена граничных условий Полимер Металл Сопротивление Металл Давление Объемные эффекты Создание горизонтальных структур Необходимость формирования промежуточных интерфейсов металл/полимер Введение частиц функциональных добавок Проекты PDFingerprint • Тонкопленочные дактилоскопические датчики MetalSafe • Системы неразрушающей диагностики металлических конструкций BatteryShield • Защитное покрытия для токосъемных электродов батарей OLED displays • Материалы для печати OLED дисплеев Дактилоскопический сенсор Давление Электрод Чувствительный слой Светоизлучающий слой Прозрачный электрод Подложка Электрический ток Свет Полимерная матрица Электролюминесцентные частицы От размера частиц зависит разрешение сенсора Сенсор дефектов структуры металлов I Металл V Нет дефектов Малые дефекты На грани разрушения ∆φ Полимер Металл 3D – printed electronics Image: 3D MID Demonstrator Circuit. Ag on PA6 with added SMDs. Заключение: о Нанофизике, Наноэлектронике и Наноспинтронике • (Слайд Устинова В.В. ИФМ УрО РАН) Нано - приставка для образования наименований дольных единиц, по размеру равных одной миллиардной доле исходной единицы. …1 нм (нанометр) = 10-9 м. Nanous - Карликовый (от греч. nános - карлик) "Большая Российская энциклопедия" • Nanoscience Nanoscientist Карлики - обличье, схожее с человеческим. Они до сих пор живут под землёй и внутри скал и боятся солнечного света, потому что он превращает их в камни. Карлики невелики ростом, но очень сильны. Так сильны, что четверым из них Боги доверили поддерживать небо там, где оно всего ближе к земле. Эти Карлики стоят по четырём углам света, их так и зовут: Аустри, Нордри, Вестри и Судри Восточный, Северный, Западный, Южный. Они стали искуснейшими кузнецами, которые способны ковать самую гибкую и твердую сталь либо выделывать из золота и серебра такие мелкие вещи, которые едва сможет различить человеческий глаз. Из скандинавской мифологии Спасибо за внимание!
