Кіріспе

Материалдар ғылымы саласындағы органикалық электроника – өткізгіштік сияқты қажетті электрондық қасиеттерді көрсететін органикалық молекулалар немесе полимерлерді жобалау, синтездеу, сипаттау және қолданумен айналысатын материалдар ғылымы саласы. Органикалық химия және полимер химиясы аясында жасалған синтетикалық стратегияларды пайдалана отырып, органикалық (көміртек негізіндегі) молекулалардан немесе полимерлерден құралады, бұл дәстүрлі бейорганикалық өткізгіштер мен жартылай өткізгіштерден өзгеше. Органикалық электрониканың үміт беретін артықшылықтарының бірі – дәстүрлі электроникаға қарағанда төмен құны болу мүмкіндігі. Полимерлік өткізгіштердің тартымды қасиеттеріне олардың электрлік өткізгіштігі (допанттардың концентрациясына байланысты өзгертілуі мүмкін) және салыстырмалы жоғары механикалық икемділігі жатады. Органикалық электрондық материалдарды енгізудегі қиындықтар – олардың нашар жылу тұрақтылығы, жоғары құны және әртүрлі өндіріс мәселелері болып табылады.

Жетегіш органикалық материалдар

Органикалық өткізгіш материалдарды екі негізгі топқа бөлуге болады: полимерлер және өткізгіш молекулалық қатты заттар мен тұздар. Пентацен және рубрен сияқты полициклді ароматты қосылыстар жартылай тотыққанда жартылай өткізгіш материалдар түзеді. Сымдылық полимерлер көбінесе өздігінен өткізгіш немесе кем дегенде жартылай өткізгіш болып табылады. Олар кейде кәдімгі органикалық полимерлерге ұқсас механикалық қасиеттерге ие болады. Органикалық синтез және жетілдірілген дисперсия техникаларын өткізгіш полимерлердің электрлік қасиеттерін реттеу үшін қолдануға болады, бұл әдеттегі органикалық емес өткізгіштерден өзгеше. Полиацетилен, полипиррол, политиофендер және полианилин – жақсы зерттелген өткізгіш полимерлер класына жатады. Поли(p-фениленвинил) және оның туындылары электролюминесцентті жартылай өткізгіш полимерлер болып табылады. Поли(3-алкилтиофендер) күн элементтері мен транзисторлардың прототиптеріне енгізілген.

Органикалық жарық шығаратын диод

OLED (органикалық жарық шығаратын диод) – электр тогының әсерінен жарық шығаратын органикалық материалдан жасалған жұқа қабаттан тұрады. Типик OLED анодтан, катодтан, OLED органикалық материалынан және өткізгіш қабаттан құралған. OLED органикалық материалдар екі негізгі топқа бөлінеді: кішкентай молекулалық және полимерлік. Кішкентай молекулалық OLED (SM OLED) құрамына трис((8-гидроксихинолинат) алюминийлі флуоресценттік және фосфоресценттік бояулар, сондай-ақ конъюгацияланған дендримерлер кіреді. Флуоресценттік бояулар қажетті сәуле шығару толқын ұзындығы диапазонына сәйкес таңдалады; көбінесе перилен және рубрен сияқты қосылыстар қолданылады. Кішкентай молекулаларға негізделген құрылғылар әдетте вакуумде жылулық булану арқылы жасалады. Бұл әдіс жақсы бақыланатын біртекті қабықшаның қалыптасуына мүмкіндік береді, бірақ жоғары құн мен шектеулі масштабталумен байланысты. Полимерлік жарық шығаратын диодтар (PLED) SM OLED-ге қарағанда тиімдірек. PLED-де қолданылатын кең таралған полимерлерге поли((p)-фенилен виниленнің) туындылары жатады. Иілгіш негіздердегі кремнийлі жұқа пленкалық күн батареялары бірнеше себептерге байланысты үлкен аудандағы фотоэлектрлік энергияның құнын айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік береді:

Иілгіш парақтардағы «роллдан-роллға» қабаттау технологиясы, технологиялық тұрғыдан, сынық және ауыр шыны парақтардағы қабаттауға қарағанда әлдеқайда оңайрақ. Жеңіл, иілгіш күн батареяларын тасымалдау және орнату да шыныдағы батареяларға қарағанда шығындарды үнемдеуге мүмкіндік береді. Полиэтилен терефталат (ПЭТ) немесе поликарбонат (ПК) сияқты арзан полимерлік негіздер фотоэлектрлік энергияның құнын одан әрі төмендетуге потенциалы бар. Протоморфты күн элементтері үлкен көлемде өндіріс үшін, сондай-ақ кішкентай және мобильдік қолданулар үшін арзан және иілгіш негіздерде тиімді және төмен құнды фотоэлектрлік энергия үшін перспективалы тұжырым болып табылады. Органикалық қосылыстарға негізделген электрондық құрылғылар қазіргі кезде кеңінен қолданылады, көптеген жаңа өнімдер әзірленуде. Sony компаниясы толық түсті, бейне жылдамдығымен, иілгіш, пластикалық дисплейді, тек органикалық материалдардан жасалған алғашқы дисплейді ұсынды; OLED материалдарына негізделген теледидар экраны; органикалық қосылыстарға негізделген биоразлагаюшы электроника және төмен құнды органикалық күн элементтері де қол жетімді.

Өндiру әдiстерi

Шағын молекулалы жартылай өткізгіштер көбінесе ерімейді, сондықтан оларды вакуумдық сублимация арқылы жабу қажет. Өткізгіш полимерлерге негізделген құрылғыларды ерітіндімен өңдеу әдістерімен дайындауға болады. Ерітіндімен өңдеу және вакуумдық әдістер әртүрлі дәрежеде бұзылыс бар аморфты және поликристалликалық пленкалар жасауға мүмкіндік береді. "Жылы" жабу техникалары полимерлерді ұшқыш еріткіште ерітуді, сүзуді және оларды субстратқа жағуды талап етеді. Еріткіш негізіндегі жабу техникаларының жалпы мысалдары: тамшылатып құю, спин жабу, доктор-лезвиемен жабу, сиялы басып шығару және экрандық басып шығару. Спин жабу – шағын ауданда жұқа пленка өндірісі үшін кеңінен қолданылатын техника. Ол материалдың көп мөлшерін жоғалтуға әкелуі мүмкін. Доктор-лезвиемен жабу техникасы материалдың жоғалуын азайтады және негізінен үлкен ауданда жұқа пленка өндірісі үшін әзірленген. Вакуумдық жылулық жабу үшін шағын молекулаларды ыстық көзден буландыру қажет. Содан кейін молекулалар вакуум арқылы субстратқа тасымалданады. Бұл молекулалардың субстрат бетінде конденсациялануы жұқа пленканың түзілуіне әкеледі. Кейбір жағдайларда, шағын молекулалардың ерігіштігіне байланысты, оларға ылғалды жабу техникаларын қолдануға болады.

Органикалық күн батареялары

Органикалық жартылай өткізгіш диодтар жарықты электр энергиясына айналдырады. Оң жақтағы суретте бес кең таралған органикалық фотоэлектрлік материал көрсетілген. Бұл органикалық молекулалардағы электрондар тиісті π* антибайланыс орбиталымен бірге кеңейтілген π орбиталында орналасуы мүмкін. π орбиталы немесе ең жоғары толтырылған молекулалық орбиталы (HOMO) мен π* орбиталы немесе ең төменгі бос молекулалық орбиталы (LUMO) арасындағы энергия айырмашылығы органикалық фотоэлектрлік материалдардың энергиялық саңылауы деп аталады. Әдетте, энергиялық саңылау 1-4 эВ аралығында болады. және n типі (мысалы, фенил C61 бутан қышқылы метил эфирі, PCBM). Кейбір органикалық жартылай өткізгіштер p және n типтерін (яғни, амбиполярлы) бірдей көрсете алады. Мұндай технология үлкен ауданы бар, икемді, төмен құнмен өндірілетін электрониканы жасауға мүмкіндік береді. Басты артықшылықтарының бірі – CMOS технологиясына қарағанда негізінен төмен температурада өндірілу процесі болғандықтан, әртүрлі материалдарды қолдануға болады. Бұл оларды сенсорлар жасау үшін өте қолайлы кандидаттер етеді.

Ерекшеліктері

Өткізгіш полимерлер металл емес өткізгіштерге қарағанда жеңіл, икемді және арзан. Бұл оларды көптеген қолдануларда тиімді балама етеді. Сонымен қатар, мыс немесе кремнийді пайдаланғанда мүмкін болмайтын жаңа қолданулардың пайда болуына мүмкіндік береді. Органикалық электроникаға тек органикалық жартылай өткізгіштер ғана емес, сонымен қатар органикалық диэлектриктер, өткізгіштер және жарық шығаратын элементтер де кіреді. Жаңа қолданулардың қатарында – смарт терезелер мен электрондық қағаз. Өткізгіш полимерлер молекулалық компьютерлер ғылымында маңызды рөл атқаруы күтілуде.