UNA ELETTRONICA CON SEMICONDUTTORI ORGANICI? Marco Sampietro
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- Annalisa Maggi
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1 Corso di ELETTRONICA A SEMICONDUTTORI ORGANICI Principi, dispositivi ed applicazioni UNA ELETTRONICA CON SEMICONDUTTORI ORGANICI? Marco Sampietro 1 Intro Corso L ELETTRONICA ORGANICA Sony 2 Intro Corso
2 IL NOSTRO PROTAGONISTA : il carbonio 4 elettroni nella shell più esterna C 6 : 6 elettroni, 1s 2 2s 2 2p 2 Elettronegatività media (tendenza a condividere elettroni piuttosto che catturarli o cederli ) 3 Intro Corso MOLTEPLICITA di LEGAMI nel CARBONIO Ibridizza: sp 3 Diamante, Metano (C 4 ) sp 2 sp etilene benzene Si può quindi legare con altri atomi di carbonio in strutture planari con legami σ (forti) nel piano e legami π fuori dal piano 4 Intro Corso
3 MOLECOLE π -CONIUGATE Elettroni liberi di muoversi lungo la struttura sfruttando la sovrapposizione degli orbitali p z con gli atomi vicini (delocalizzazione) Elettroni fortemente localizzati tra i nuclei dei C partecipanti al legame σ Gli elettroni π stanno negli orbitali molecolari a più alta energia (OMO) LUMO OMO antracene Dati i deboli legami π, gli elettroni π sono i più facilmente eccitabili al livello superiore (LUMO) Facile CONDUZIONE di carica nel piano della molecola 5 Intro Corso PRINCIPALI MOLECOLE π - CONIUGATE Anello benzenico C 6 6 Pentacene Anello tiofenico SC 4 4 Mercoledi Molecole. Politiofene 6 Intro Corso
4 DELOCALIZZAZIONE e BAND-GAP Si dovrebbe parlare di livelli energetici molecolari. Poiché i legami C-C sono tutti equivalenti ed hanno i medesimi livelli di energia corrispondenti ai p z banda di energia molecolare. Venerdi Fotofisica sem. organici In analogia con i cristalli inorganici e per semplicità di analisi, i semiconduttori organici possono anch essi essere rappresentati da: - livelli energetici (banda di valenza e di conduzione) separati da un gap energetico - 2 portatori di carica, elettroni e lacune LUMO E g OMO e - h + Per la maggior parte dei materiali coniugati il gap è nel visibile 7 Intro Corso POLIMERI CONIUGATI La coniugazione è presente non solo nelle molecole aromatiche ma anche in oligomeri e polimeri Lunghezza di coniugazione n Poliacetilene La coniugazione (e quindi la CONDUCIBILITA ) lungo la molecola può essere diminuita a causa di: difetti chimici Difetto sp3 effetti conformazionali 8 Intro Corso
5 POLIMERI CONIUGATI - alcuni esempi Alcuni polimeri coniugati Poli para phenilene Poli tiophene PPP PT * n * * S n * * n * PPV Poli para phenilene vinilene * N n * PPy Poli pirrolo Mercoledi e Giovedi Polimeri 9 Intro Corso MOLTEPLICITA DI PROTAGONISTI Singole molecole ricche di legami π deposte da fase vapore, struttura quasi cristallina, alta mobilità dei portatori pentacene Oligomeri coniugati deposti da fase vapore o liquida, in alcuni casi struttura policristallina oligotiofeni Polimeri coniugati deposti da fase liquida, amorfi, scarsa mobilità PPP, PPV, poliacetilene 10 Intro Corso
6 Film amorfo ORGANIZZAZIONE SPAZIALE Le molecole sono legate da forze di Van der Wals (deboli) Molecole organizzate nello spazio : cristallo molecolare forte sovrapposizione degli orbitali p z delocalizzazione dell elettrone su tutto il cristallo 11 Intro Corso LA CIAVE DEL SUCCESSO Con i semiconduttori organici si riescono a controllare tutti gli aspetti fondamentali per la realizzazione di dispositivi elettronici con prestazioni riproducibili : FORMAZIONE TRASPORTO RICOMBINAZIONE della carica elettrica 12 Intro Corso
7 FORMAZIONE della CARICA Si agisce sugli elettroni π (poco legati), promuovendoli in stati elettronici a energia superiore. Fotone o attivazione termica creazione di coppia e - - h + ECCITONE (molecola con energia maggiore dello stato fondamentale) Nei materiali coniugati la transizione (gap) è nel visibile o nel vicino I.R. 13 Intro Corso IL TRASPORTO DELLA CARICA film amorfo Mercoledi Trasporto di carica a- trasporto della carica lungo la molecola (o il polimero) - facile b- trasporto della carica da una molecola all altra - difficile Fenomeno reso ancora più complicato dal fatto che la distanza tra le catene ha una distribuzione casuale Variable range hopping emissione termoionica o tunneling Bassa mobilità dei portatori, dettata dal fenomeno più lento. 14 Intro Corso
8 FILM AMORFO - Influenza della temperatura PRL 61 (2000) 7489 PPV La mobilità aumenta all aumentare della temperatura 15 Intro Corso TRASPORTO DI DI CARICA nei OFET NEI OFET Influenza dell ordine molecolare (Pentacene) Il controllo dello stato macroscopico della materia è FONDAMENTALE e viene ottenuto agendo su a- design chimico della molecola, b- processo fisico di deposizione 16 Intro Corso
9 CONDIZIONI per il TRASPORTO Elettrone - Molecola che si carica negativamente (Riduzione) Molecola neutra Molecola neutra Viene chiamata anche POLARONE perché viene modificata la distribuzione di carica su di essa La molecola ridotta non deve reagire chimicamente o modificarsi strutturalmente 17 Intro Corso CONDIZIONI per il TRASPORTO Elettrone - Molecola che ritorna neutra Molecola carica (Ridotta) Molecola neutra La molecola deve ritornare esattamente nello stato iniziale RIDUZIONE REVERSIBILE 18 Intro Corso
10 CONDIZIONI per il TRASPORTO Molecola che si carica positivamente (Ossidata) Molecola che ritorna neutra Molecola neutra Lacuna Le molecole di interesse devono sostenere OSSIDO-RIDUZIONI REVERSIBILI 19 Intro Corso CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE O LUMO K 2.30 ev R N a, Ca, N a 2.75 ev G Li Ca 2.87 ev A Li Mg Pb 2.90 ev 3.70 ev 4.25 ev N I C Mg Ag 4.26 ev Al 4.28 ev S PPV Ti 4.33 ev E Pb, A g, A l, Ti, 2.7eV Zn 4.35 ev M Si(n+) Zn, Sn, C r, Cu Sn 4.42 ev I Cr 4.50 ev C O Cu 4.65 ev ITO, Au, Pd, Ni, Si(p+) N ITO 4.70 ev D Au 5.10 ev OMO U Pd 5.12 ev C N i 5.15 ev Pt T Giovedi Pt 5.65 ev O R Contatti ed interfacce 20 Intro Corso
11 CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE RETTIFICANTE (fotodiodo) 21 Intro Corso RIVELATORI ORGANICI light Celle fotovoltaiche 5.1eV E F Au - + E GAP OMO LUMO Au Ag Accettore (A) Donore (D) ITO Vetro PV (50nm) CuPc (30nm) V BIAS Fotorivelatori V BIAS light C F R F V OUT 600m 400m impulso di luce V OUT Giovedi Au Cr dithiolene quartz -400m 0 1µ 2µ 3µ Fotorivelatori Time [s] e Celle solari 1Mz, duty 470nm, V BIAS =80V, L= 12µm 22 Intro Corso V OUT [V] 200m 0-200m
12 CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE RETTIFICANTE (fotodiodo) INIEZIONE CONTROLLATA (led) 23 Intro Corso RICOMBINAZIONE RADIATIVA ITO h φ IT O Giovedi e Venerdi oled φ m e metallo 1. Iniezione di carica 2. Trasporto 3. Formazione dell eccitone 4. Ricombinazione con emissione di un fotone (ricombinazione radiativa nel visibile) OLED 24 Intro Corso
13 Curve caratteristiche di un OLED 25 Intro Corso DRIVERS per OLED Pilotaggio di ogni pixel in corrente Memorizzazione della corrente Compensazioni per eventuali variazioni della soglia dei transistori Venerdi Circuiti per schermi OLED Circuito attivo 26 Intro Corso
14 Da OLED a PIXEL MOLECOLE SEMPLICI TL ITO R G B Venerdi Schermi oled 27 Intro Corso EMISSIONE STIMOLATA - + SiO 2 Si x N y Cathode 5BTF8 ITO PL intensity (arbitrary units) Wavelength (nm) Light out Venerdi Laser organici 28 Intro Corso
15 CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE RETTIFICANTE (fotodiodo) INIEZIONE CONTROLLATA (led) OMICO (transistore) 29 Intro Corso CIRCUITI FLESSIBILI Dupont Mercoledi e Venerdi MOSFET 30 Intro Corso
16 VARIAZIONE DI CONDUCIBILITA La coniugazione (e quindi la CONDUCIBILITA ) può essere diminuita a causa di: *Difetti chimici *Effetti conformazionali *Presenza di sostituenti Difetto sp3 + N 2 N 2 NO 2 NO 2 - Venerdi Memorie J.Chen, M.A. Reed, A.M. Rawlett, J. M. Tour, Science, 286, , Intro Corso PERCE USARE SEMICONDUTTORI ORGANICI? Flessibilità meccanica, 32 Intro Corso
17 PERCE USARE SEMICONDUTTORI ORGANICI? Flessibilità meccanica, possibilità di coprire grandi superfici, 33 Intro Corso PERCE USARE SEMICONDUTTORI ORGANICI? Flessibilità meccanica, possibilità di coprire grandi superfici, emissione di luce nel visibile ( schermi), ad ampio angolo SAMSUNG NEC PMOLED 34 Intro Corso
18 PERCE USARE SEMICONDUTTORI ORGANICI? Flessibilità meccanica, possibilità di coprire grandi superfici, emissione di luce nel visibile ( schermi), proprietà modificabili per via chimica, deposizione a bassa temperatura virtualmente su ogni tipo di substrato isolante, anche attivo, buon matching dell indice di rifrazione aria-rivelatore 35 Intro Corso COMPATIBILITA DI FUNZIONI Sheet scanner Photodetectors + ofets Power sheet Coils+MEMS+oFETs E-skin pressure sensors+ofets Braille display Actuators + ofets Rolled screen oleds+ofets 36 Intro Corso
19 SARA UNA TECNOLOGIA A BASSO COSTO? Spin coating, casting Langmuir Blodgett deposition Molecular self assembling Ink-jet Stamping Nanoimprinting... Giovedi Tecnologie di fabbricazione Plastic PAni IL TL Polymer Substrate Layer 37 Intro Corso ALTRO Vedremo anche come : Trattamento superficiale (SAM) Temperatura Purezza dei materiali Struttura dei dispositivi ecc... condizionano le prestazioni dei vari dispositivi 38 Intro Corso
20 Nobel prize winners for Chemistry in 2000 Alan J. eeger Alan G. MacDiarmid ideki Shirakawa "for the discovery and development of conductive polymers" 39 Intro Corso
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