Органічна електроніка

Визначення і загальна характеристика

ОРГАНІ́ЧНА ЕЛЕКТРО́НІКА — галузь електроніки, що вивчає, розробляє та виготовляє електронні прилади (а також їхні функціональні елементи) на основі матеріалів органічної хімії: органічних макромолекул або полімерів. Вона тісно пов’язана з фізикою, хімією, біологією, медициною, інформаційними технологіями.

1977 опубл. результати перших дослідж., присвячених створенню органічних матеріалів, що мають напівпровідник. властивості (див. також Напівпровідники), а 2000 япон. хімік Х. Шіракава та амер. фізико-хіміки А. Гіґер і А. Макдіармід за відкриття провідності у полімерах отримали Нобелівську премію. Однак, перш ніж О. е. розвинулася в окрему галузь, видано низку праць, метою яких було продемонструвати функціональність прототипів майбут. електрон. приладів. Наприкінці 1980-х рр. япон. дослідники А. Цумура, Х. Коезука та А. Цунея створили перший орган. польовий транзистор (organic field effect transistor, OFET), Ч. Танг — орган. світловипромінюючий діод (organic light emitting diode, OLED) та орган. фотовольтаїч. елемент (organic photo voltaics, OPV). На поч. 1990-х рр. швейцар. хімік М. Ґретцель запропонував принцип розроблення фоточутливих комірок з використанням електроду з розвинутою поверхнею, створеною нанесенням колоїд. частинок оксиду титану з фоточутливим шаром барвника. Завдяки великій площі контактування 2-х різних матеріалів вдалося досягнути знач. ефективності перетворення соняч. енергії в електричну. Саме такий принцип утворення фоточутливих елементів використовують для виготовлення фотовольтаїч. елементів на основі фулеренів або їх похідних як матеріалу n-типу та орган. напівпровідників p-типу. Вони мають ефективність 8,3 %, а їхня собівартість значно нижча, ніж пристроїв на основі кремнію.

Загалом завдання О. е. фактично є такими ж, як у класичній електроніці. Серед них — вивчення електрон. процесів та формування на основі цих досліджень наук. засад для розроблення, створення та подальшого комерц. впровадження пристроїв для оброблення, збереження та передавання інформації, а також перетворення енергії різних видів (електрич., світл., тепл., механічної).

Нині саме електронні процеси є найефективнішим засобом для кодування інформації у вигляді фіз. явищ. Так, зокрема, електронні переходи та електронні потоки можна реєструвати у вигляді оптич. або електрич. сигналів, а електрич. заряд, створений сукупністю електронів, можна зберігати як біт інформації. Для джерел енергії також кінц. ланкою переважно є електричне коло, де електрич. струм є потоком зарядів (електронів або іонів). Тому з точки зору перетворення енергії зацікавленість для подальшого застосування викликають фіз. процеси з перетворенням електрич. енергії. Напр., перетворення електрич. енергії у світлову реалізують за допомогою світлодіодів (LED, light emitting diode), а зворотнє перетворення (випромінювання в електрику) — детекторів випромінювання або соняч. фотовольтаїч. модулів (соняч. батарей). Хоча твердотіл. електроніка та О. е. загалом орієнтовані на виконання подібних завдань, проте кожна займає свою специфічну нішу. Сучасна твердотіл. електроніка, особливо якщо йдеться про її використання в галузі інформ. технологій, спрямована на постійне збільшення щільності елементів, якими є високоефективні напівпровідник. прилади на основі кристалічних напівпровідникових матеріалів. О. е., на відміну від твердотіл. електроніки, зорієнтована переважно на зниження собівартості електрон. пристроїв, а також поєднання їх функціональності та мех. гнучкості.

Матеріалами О. е. є речовини орган. хімії, для яких характерна наявність електропровідності. Залежно від величини електропровідності такі матеріали часто називають орган. провідниками або орган. напівпровідниками. Для створення з них напівпровідник. структур використовують методи зі зменшеним рівнем енерговитратності, напр., такі, що використовують низькотемпературні процеси (з т-рою до 200 °C) нанесення елементів з газової фази (напр., хім. осадження з газової фази — chemical vapour deposition, CVD) або з використанням розчинів (метод золь-гель; нанесення на підкладинку, що обертається, — spin-coating; метод друку — printing та ін.). Такі технології створення приладів О. е. дають можливості використовувати гнучкі підкладинки, що є суттєвим у багатьох застосунках, де гнучкість та легкість приладу, а також відносно низька собівартість його створення є істот. критеріями, заради яких частково можна пожертвувати його функціонал. ефективністю чи швидкодією.

Важливою властивістю напівпровідників є можливість керувати провідністю шляхом додавання певних домішок, що можуть або донувати частину своїх електронів на вільні незаповнені стани (донорні домішки), або частково відбирати електрони з повністю заповнених станів (акцепторні домішки). Процес додавання домішок для керування провідностю в О. е. називають допуванням (doping; у твердотіл. електроніці — легуванням). З його допомогою утворюється електронна (n-типу) або дірк. (p-типу) провідність. Остання також є різновидом електрон. процесу. Для реалізації p-типу провідності необхідно частково звільнити місця на заповнених рівнях. Процес допування змінює величину роботи виходу електронів: для p-типу вона більша, для n-типу — менша. В орган. напівпровідниках електрон. транспорт відбувається внаслідок переходів між окремими локалізов. станами (стрибк. провідність), тому замість термінів «зона провідності» та «валентна зона» введено такі поняття, як «найнижча заповнена молекулярна орбіталь» (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) та «найвища заповнена молекулярна орбіталь» (highest occupied molecular orbital, HOMO). Через це рухливість носіїв у орган. напівпровідників значно менша, ніж у неорганічних — відповідно 10-4–10 см2/(В • с) (найвища рухливість у рубрена) проти 102–104 см2/(В • с), для нелегованого кремнію — 1450 см2/(В • с). Під n- чи p-типом провідності для випадку орган. напівпровідників потрібно розуміти полярон. тип провідності (n-полярон чи p-полярон, відповідно), зумовлений тим, що локалізов. надлишк. від’ємний чи додат. заряд спричиняє поляризацію всієї молекули, внаслідок чого атоми зміщуються, частково екрануючи цей надлишк. заряд.

У приладах О. е. використовують 2 типи напівпровідник. структур: діодні структури та польові транзистори. Діодна структура — контакт 2-х різних напівпровідник. матеріалів, що мають різне значення роботи виходу ϕ електронів (енергії, що визначає процес емісії електрону у вакуум). Для цього використовують або матеріал з різними типами провідності в різних зонах (p-n-перехід), або два різні матеріали (гетероперехід — hetero junction, HJ). Для О. е. переважно використовують HJ. Через те, що компоненти діод. структури мають різні значення ϕ, на границі розділу відбувається перехід електронів з матеріалу з меншим значенням ϕ в матеріал з більшим ϕ. В результаті в HJ виникає електричне поле (вбудоване поле), наявність якого також сприяє розділенню зарядів, що генеруються унаслідок поглинання кванта світла.: додатні заряди дрейфують в один матеріал структури, від’ємні — в ін. Це дає можливість використовувати HJ для створення фотодетекторів та фотовольтаїч. перетворювачів енергії, у випадку О. е. — орган. фотовольтаїч. елементів (organic photo voltaics, OPV). Підключення діод. структури до джерела живлення у пропуск. напрямку («+» до матеріалу p-типу, а «-» до n-типу) створює умови для інжекції неоснов. носіїв (носіїв протилеж. типу провідності), в результаті чого утворюються збуджені електронні стани, що релаксують з випромінюванням фотону. На цьому ґрунтується принцип дії світлодіоду (LED) або орган. світлодіоду (OLED). Польовий транзистор — багатошар. структура, що містить 3 контактні виходи: 2 з них (витік і стік) з’єднані з шаром напівпровідника (каналом), провідність якого можна змінювати, використовуючи ефект поля, тобто змінюючи електрич. потенціал на 3-му електроді (затвор), розташованому над каналом. Між каналом і затвором розміщено шар діелектрика. Вперше ідею використання ефекту поля для керування провідністю в провідному каналі запропонував укр. фізик Ю.-Е. Лілієнфельд (запатентовано 1930 у США). У випадку О. е. частіше використовують термін «орган. тонкоплівк. транзистор» (organic thin film transistor, OTFT). Подальше вдосконалення технології OTFT створює елементну базу для виготовлення інтеграл. схем на гнучких підкладках. Крім того, за допомогою цієї технології виготовляють конденсатори, що в поєднанні з польовими транзисторами застосовують для виробництва актив. матриць (АМ) для збереження інформації та створення засобів зображення.

Для виготовлення названих структур необхідні такі осн. елементи: деяка тверда основа — підкладинка; електричні контакти для підведення та відведення струму; актив. елемент, що складається з напівпровідників. Для твердотіл. структури підкладинкою є сам кристал неорган. напівпровідника. Для О. е. потрібно використовувати іншу несучу основу, оскільки орган. напівпровідники переважно виготовляють у вигляді плівки, яку потрібно наносити на тверду поверхню. Для багатьох застосунків як матеріал підкладки використовують гнучкий полімер, напр., поліетилентерефталат (PET). У низці випадків підкладинку виготовляють зі скла. Для створення електрич. контактів з малим опором необхідні провідники з різним значенням роботи виходу залежно від типу напівпровідника: для p-типу — велика робота виходу, для n-типу — мала. Якщо потрібно підводити або відводити світло (OPV чи OLED), то контакти мають бути прозорими у видимому діапазоні. Найчастіше для контактів використовують тонкі плівки металів (Ag, Au, Al), оксидів металів, зокрема т. зв. прозорих оксидів (transparent conducting oxides, TCO), серед яких найпоширенішими є суміш двох оксидів: оксиду індію та олова (indium tin oxide, ITO) як контакт p-типу або ZnO легований алюмінієм для матеріалу n-типу. У більшості приладів О. е. використовують такі орган. провідники, як поліанілін (PANI) і poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS). Серед орган. напівпровідників — полімери poly(p-phenylenevinylene) (PPV) та poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene-vinylene] (MEH-PPV), poly(3-hexylthiophene) (P3HT); орган. макромолекули, до яких належать фталоцианіни металів, пентацен, рубрен, tetra¬cyanoquinodimethane (TCNQ), похідні фулеренів indene-C60bisadduct (ICBA) та [6,6]-phenyl-C61-butyric acidmethylester (PCBM). На основі цих матеріалів, що поєднують у різних комбінаціях для створення діод. чи транзистор. структур, виготовляють світловипромінюючі прилади (екрани для передавання зображення, освітлювал. прилади), різноманітні датчики (світла, вологості, іонізуючого випромінювання, переміщення, тиску), перетворювачі енергії (фотовольтаїчні елементи, перетворювачі енергії мех. вібрацій), суперконденсатори та інтеграл. схеми.

Завантажити статтю