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?
