Введение
Органическая электроника – это область материаловедения, посвященная разработке, синтезу, характеризации и применению органических молекул или полимеров, проявляющих желаемые электронные свойства, такие как проводимость. В отличие от традиционных неорганических проводников и полупроводников, органические электронные материалы создаются из органических (углеродсодержащих) молекул или полимеров с использованием методов синтеза, разработанных в области органической химии и химии полимеров. Одно из главных преимуществ органической электроники – ее потенциально низкая стоимость по сравнению с традиционной электроникой. К привлекательным свойствам полимерных проводников относятся их электрическая проводимость (которую можно изменять, варьируя концентрацию легирующих добавок) и сравнительно высокая механическая гибкость. Сложности в реализации органических электронных материалов связаны с их недостаточной термической стабильностью, высокой стоимостью и различными технологическими проблемами при производстве.
Organic electronics is a field of materials science concerning the design, synthesis, characterization, and application of organic molecules or polymers that show desirable electronic properties such as conductivity. Unlike conventional inorganic conductors and semiconductors, organic electronic materials are constructed from organic (carbon based) molecules or polymers using synthetic strategies developed in the context of organic chemistry and polymer chemistry. One of the promised benefits of organic electronics is their potential low cost compared to traditional electronics. Attractive properties of polymeric conductors include their electrical conductivity (which can be varied by the concentrations of dopants) and comparatively high mechanical flexibility. Challenges to the implementation of organic electronic materials are their inferior thermal stability, high cost, and diverse fabrication issues.
Проводящие органические материалы
Органические проводящие материалы можно разделить на два основных класса: полимеры и проводящие молекулярные твердые тела и соли. Полициклические ароматические соединения, такие как пентацен и рубрен, часто формируют полупроводящие материалы при частичном окислении. Проводящие полимеры обычно являются внутренне проводящими или, по крайней мере, полупроводниками. Они иногда демонстрируют механические свойства, сравнимые с механическими свойствами традиционных органических полимеров. В отличие от типичных неорганических проводников, органический синтез и передовые методы диспергирования могут использоваться для настройки электрических свойств проводящих полимеров. Хорошо изученными классами проводящих полимеров являются полиацетилен, полипиррол, политиофены и полианилин. Поли(п-фениленвинилен) и его производные – это электролюминесцентные полупроводящие полимеры. Поли(3-алкилтиофены) были использованы в прототипах солнечных элементов и транзисторов.
Диод органического излучения света
OLED (органический светоизлучающий диод) состоит из тонкой пленки органического материала, излучающего свет под воздействием электрического тока. Типичный OLED состоит из анода, катода, органического материала OLED и проводящего слоя. Органические материалы OLED делятся на две основные группы: на основе малых молекул и на основе полимеров. Маломолекулярные OLED (SM OLED) включают флуоресцентные и фосфоресцентные красители, такие как трис(8-гидроксихинолинато)алюминий, и конъюгированные дендримеры. Флуоресцентные красители выбираются в соответствии с требуемым диапазоном длин волн излучения; часто используются соединения, такие как периллен и рубрен. Устройства на основе малых молекул обычно изготавливаются методом термического испарения в вакууме. Хотя этот метод позволяет формировать хорошо контролируемые однородные пленки, он затруднен высокой стоимостью и ограниченной масштабируемостью. Полимерные светоизлучающие диоды (PLED) обычно более эффективны, чем SM OLED. Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы на гибких подложках позволяют значительно снизить стоимость крупноформатной фотовольтаики по нескольким причинам: так называемое «рулонное» осаждение на гибкие листы гораздо проще реализовать с точки зрения технологических усилий, чем осаждение на хрупкие и тяжелые стеклянные листы. Транспортировка и установка легких гибких солнечных элементов также снижают затраты по сравнению с элементами на стекле. Недорогие полимерные подложки, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ) или поликарбонат (ПК), обладают потенциалом для дальнейшего снижения стоимости в фотовольтаике. Протоморфные солнечные элементы представляются перспективной концепцией для эффективной и недорогой фотовольтаики на дешевых и гибких подложках для крупносерийного производства, а также для небольших и мобильных приложений. Электронные устройства на основе органических соединений широко используются, и многие новые продукты находятся в разработке. Компания Sony представила первый полноцветный, видеоскоростной, гибкий пластиковый дисплей, изготовленный исключительно из органических материалов; телевизионные экраны на основе OLED-материалов; биоразлагаемая электроника на основе органических соединений и недорогие органические солнечные элементы также доступны.
The so called 'roll to roll' deposition on flexible sheets is much easier to realize in terms of technological effort than deposition on fragile and heavy glass sheets. Transport and installation of lightweight flexible solar cells also saves cost as compared to cells on glass. Inexpensive polymeric substrates like polyethylene terephthalate (PET) or polycarbonate (PC) have the potential for further cost reduction in photovoltaics. Protomorphous solar cells prove to be a promising concept for efficient and low cost photovoltaics on cheap and flexible substrates for large area production as well as small and mobile applications. Electronic devices based on organic compounds are now widely used, with many new products under development. Sony reported the first full color, video rate, flexible, plastic display made purely of organic materials; television screen based on OLED materials; biodegradable electronics based on organic compound and low cost organic solar cell are also available.
Методы изготовления
Полупроводники с малыми молекулами часто нерастворимы, что требует их нанесения методом вакуумной сублимации. Устройства на основе проводящих полимеров могут быть изготовлены с использованием методов обработки из растворов. Как методы обработки из растворов, так и вакуумные методы позволяют получать аморфные и поликристаллические пленки с различной степенью дефектов. "Мокрые" методы нанесения покрытий требуют растворения полимеров в летучем растворителе, фильтрации и последующего нанесения на подложку. Распространенные примеры методов нанесения покрытий на основе растворителей включают капельное нанесение, спин-коутинг, ракельное нанесение, струйную печать и трафаретную печать. Спин-коутинг – широко используемый метод для производства тонких пленок на небольших площадях, который может приводить к значительным потерям материала. Метод ракельного нанесения обеспечивает минимальные потери материала и был разработан преимущественно для производства тонких пленок на больших площадях. Вакуумное термическое осаждение малых молекул требует испарения молекул из горячего источника, с последующим их переносом через вакуум на подложку. Процесс конденсации этих молекул на поверхности подложки приводит к формированию тонкой пленки. В некоторых случаях методы "мокрого" нанесения покрытий могут быть применены к малым молекулам, в зависимости от их растворимости.
Органические солнечные элементы
Органические полупроводниковые диоды преобразуют свет в электричество. На рисунке справа показаны пять наиболее часто используемых органических фотоэлектрических материалов. Электроны в этих органических молекулах могут быть делокализованы в делокализованной π-орбитали с соответствующей π* антисвязывающей орбиталью. Разница в энергии между π-орбиталью, или высшей занятой молекулярной орбиталью (HOMO), и π*-орбиталью, или низшей незанятой молекулярной орбиталью (LUMO), называется шириной запрещенной зоны органических фотоэлектрических материалов. Обычно ширина запрещенной зоны находится в диапазоне 1,4 эВ. Существуют материалы n-типа (например, фенил C61 метилэстер масляной кислоты, PCBM). Некоторые органические полупроводники могут проявлять как p-тип, так и n-тип проводимости (то есть, амбиполярные) характеристики. Эта технология позволяет создавать электронику большой площади, гибкую и недорогую. Одним из главных преимуществ является то, что, в отличие от CMOS, процесс в основном протекает при низких температурах, что позволяет использовать различные типы материалов. Это делает их отличными кандидатами для создания сенсоров.
Особенности
Проводимые полимеры легче, гибче и дешевле неорганических проводников. Это делает их привлекательной альтернативой во многих областях применения. Кроме того, это открывает возможности для новых применений, которые были бы невозможны при использовании меди или кремния. Органическая электроника включает в себя не только органические полупроводники, но и органические диэлектрики, проводники и источники света. К новым областям применения относятся "умные" окна и электронная бумага. Ожидается, что проводящие полимеры сыграют важную роль в развивающейся науке о молекулярных компьютерах.