Elektronika molekularna

Transkrypt

1 Elektronika molekularna Wykład 30h zakończony egzaminem pisemnym dr Małgorzata Franz pok. 109C GG Konsultacje: piątek 10-11

2 Elektronika molekularna plan wykładu W1. Wprowadzenie W2. Własności cząsteczek W3. Molekularne ciało stałe W4. Stany elektronowe optycznego wzbudzenia w strukturach molekularnych W5. Transport nośników ładunku w materiałach molekularnych W6. Iniekcja nośników ładunku do materiałów molekularnych W7. Prądy nośników ładunku jednego znaku w materiałach molekularnych W8. Prądy pochodzące od nośników dwóch znaków w materiałach molekularnych W9. Elektroluminescencja W10. Zjawisko fotowoltaiczne W11. Podstawowe elementy elektroniki molekularnej Zaliczenie wykładu (w formie pisemnej) będzie składało się z 5 pytań obejmujących zagadnienia z wykładu. Warunkiem uzyskania pozytywnej oceny jest uzyskanie 50% punktów.

3 Elektronika molekularna literatura

4 Wykład 1 Wprowadzenie elektronika molekularna, miniaturyzacja urządzeń elektronicznych, materiały nieorganiczne i organiczne w elektronice, polimery przewodzące, OLED, OPV, OFET

5 W1. Czym jest elektronika molekularna? FIZYKA MOLEKULARNA konwencjonalne urządzenia elektroniczne MIKROELEKTRONIKA KRZEMOWA nowatorskie urządzenia elektroniczne ELEKTRONIKA MOLEKULARNA CHEMIA ORGANICZNA INŻYNIERIA MATERIAŁOWA FIZYKA CIAŁA STAŁEGO ELEKTRONIKA MOLEKULARNA obejmuje wszystkie zjawiska i procesy, w których molekularne materiały organiczne grają aktywną rolę w przetwarzaniu, transmisji i przechowywaniu informacji. H. Haken, H. C. Wolf, Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej, PWN, Warszawa ELEKTRONIKA MOLEKULARNA zastosowanie pojedynczych molekuł lub układów molekularnych do budowy elementów elektronicznych. J. Godlewski, Wstęp do elektroniki molekularnej, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2008.

6 W1. Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako przełączniki - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako przewodniki i nadprzewodniki - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako elementy logiczne - Cząsteczki lub molekularne jednostki funkcyjne jako urządzenia pamięci

7 W1. Dlaczego elektronika molekularna? Elektronika molekularna Elektronika konwencjonalna Elastyczna Lekka Tanie technologie Minimalne rozmiary urządzeń Szeroka gama materiałów Kompatybilność ze strukturami biologicznymi Przyjazna środowisku Sztywna Ciężka Drogie (ale dopracowane) technologie Ograniczone rozmiary urządzeń Ograniczona ilość materiałów Niekompatybilność ze strukturami biologicznymi Nieprzyjazna środowisku Elementy elektroniczne konwencjonalnej elektroniki charakteryzuje min.: duża szybkość działania, dobra odporność temperaturowa i mechaniczna, niskie szumy.

8 W1. Klasyczne półprzewodniki nieorganiczne a półprzewodniki organiczne KRZEM (Si) GERMAN (Ge) ARSENEK GALU (GaAs) - Niska wartość przerwy energetycznej: 1,1 ev (Si), 0,67 ev (Ge), 1,4 ev (GaAs) - Wysoka wartość przerwy energetycznej (> 2eV): np. 3,1 ev (Tc) - Typowe wartości przewodnictwa elektrycznego: cm -1 - Duże wartości względnych stałych dielektrycznych r 11 - Małe wartości względnych stałych dielektrycznych r 3,5 - Możliwość generacji swobodnych nośników ładunku w wyniku wzbudzenia termicznego bądź optycznego N = N eff exp(-eg/2kt) N koncentracja nośników ładunku (elektrony bądź dziury) N eff fektywna gęstośc stanów - Ładunki są głównie wstrzykiwane z elektrod (INIEKCJA) bądź w wyniku dysocjacji EKSCYTONÓW (związana para e-h) generowanych w wyniku optycznego wzbudzenia

9 W1.Materiały organiczne CHEMIA ORGANICZNA = CHEMIA ZWIĄZKÓW WĘGLA Obecnie liczba zbadanych związków węgla przekracza 25 milionów. Liczba opisanych związkó nieorganicznych to zaledwie pół miliona. ZWIĄZKI ORGANICZNE mała odporność termiczna palność niskie temperatury topnienia i wrzenia znaczna liczba atomów tworzących cząsteczkę W skład większości związków organicznych wchodzi tylko kilka pierwiastków: C, H, O, rzadziej N i bardzo rzadko fluorowce, siarka, fosfor lub inne niemetale. Przyczyną istnienia bardzo dużej liczby związków organicznych jest zdolność atomów węgla do tworzenia trwałych wiązań między sobą ZJAWISKO KATENACJI Atomy węgla wykazują zdolność do tworzenia WIĄZAŃ WIELOKROTNYCH. C C C C UWAGA : WIĄZANIA WIELOKROTNE są nietrwałe i w wyniku reakcji addycji zmieniają się w wiązania pojedyncze.

10 W1. Związki organiczne WĘGLOWODORY związki zbudowane z C i H. Mogą różnić się kolejnością powiązania atomów i / lub odmiennym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. ZWIĄZKI JEDNOFUNKCYJNE związki zawierające jedną lub większą liczbę jednakowych grup funkcyjnych. ZWIĄZKI WIELOFUNKCYJNE związki, których cząsteczki zawierają różne grupy funkcyjne.

11 W1. Organiczne półprzewodniki MAŁE CZĄSTECZKI POLIMERY

12 W1. Struktury materiałów organicznych - Kryształy molekularne - Warstwy polimerów - Warstwy molekularne (amorficzne)

13 W1. Podstawowe elementy elektroniczne Organic Light Emitting Diodes OLEDs Organic Field Effect Transistors OFETs Organic Photovoltaic (OPV) Organic Solar Cells tsgebiete/organische_elektr onik/index.en.html Film Substrate with Test Transistors and a Printable Semiconductor Solution

14 Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED) Urządzenia służące do bezpośredniej zamiany energii elektrycznej na energię świetlną. Thien-Phap Nguyen : Polymer-based nanocomposites for organic optoelectronic devices. A review

15 Organiczne diody elektroluminescencyjne (OLEDs) O kolorze emitowanego światła decyduje przerwa LUMO-HOMO light-emitting polymers (LEPs) or, sometimes, polymer LEDs (PLEDs)

16 Zalety OLED bardzo cienkie (~ 0.2 mm, 10x cieńsze od LCD) lekkie giętkie duża wydajność świecenia mogą być przeźroczyste nie potrzebują dodatkowego oświetlenia (w przeciwieństwie do LCD) mniejsze zużycie prądu szybkie odświeżanie obrazu naturalne kolory, w tym rzeczywista czerń szeroki kąt widzenia proste techniki nakładania, tanie materiały = niska cena idealne do urządzeń przenośnych zastosowanie w wyświetlaczach mp 4, czytnikach e-book, telewizorach, grach itp.

17 Wady OLED degradacja materiałów organicznych = krótszy czas życia diody o różnych kolorach starzeją się w innym czasie wrażliwość na wodę problem dotyczący urządzeń przenośnych

18 The unnamed concept Windows Phone 8 device from Samsung which employs a fully flexible AMOLED display. Arizona State University and HP's flexible display demonstrated in 2008 at the university's Flexible Display Center

19 Michigan University, 2011 Diody emitujące światło o określonym kolorze np. żółtym, zielonym, niebieskim Pusan National University, 2008

20 Produkty OLED dostępne na rynku małe (od 2 do 7 cali) wyświetlacze OLED w urządzeniach takich jak: telefony komórkowe, odtwarzacze A/V, aparaty cyfrowe producenci: Sony, Samsung, Nokia, LG, Dell, Olympus, HTC, ASUS, Panasonic, Microsoft i inni Samsung Galaxy S (Izrael) Walkman Sony NW-A850, ~280 $

21 Nokia Lumia 800 i 820 AMOLED ~ 380 Samsung Galaxy Note 2 Micromax Pixel A90 ~230$ (Indie)

22 Samsung transparent OLED

23 Nowoczesne lampy Diody emitujące światło białe Obecnie małe, bardzo drogie, komercjalizacja na przełomie 2012/2013 Philips

24 LG Chem biały OLED lampa Light Photon OLED

25 Płaskie ekrany kolorowe Prototyp LG 31-calowy OLED Prototyp AMOLED 6-calowy giętki wyświetlacz

26 LG OLED TV (55EM9600) 55" Grubość ~ 4mm, waga TV 10 kg. 4 białe OLEDy tworzą 1 piksel z filtrami kolorów RGBW. WOLED-CF Samsung OLED TV (ES9500) 55" Szacunkowa cena ~$9,000. Panel złożony z subpikseli OLED RGB, direct emission, droższa, bardziej wydajna

27 Przenośne Sony PlayStation

28 WYŚWIETLACZ zintegrowany z przeglądarką internetową

29 Ogniwa fotowoltaiczne Urządzenia służące do bezpośredniej zamiany energii słonecznej na energię elektryczną. Nie tylko polimery C 60 P3HT

30 Zjawisko fotowoltaiczne

31 Zalety organicznych ogniw fotowoltaicznych cienkie lekkie giętkie proste techniki wytwarzania tanie nietoksyczne dowolne kolory półprzezroczyste szeroka gama zastosowań Ogniwo DSC, Sony idealne do zasilania urządzeń przenośnych i pokrywania powierzchni o różnych kształtach

32 wady polimerowych ogniw fotowoltaicznych stosunkowo mała wydajność konwersji energii szybka degradacja niezbędna jest enkapsulacja (izolacja od warunków zewnętrznych) Niska wydajność i szybka degradacja uniemożliwiają komercjalizację tych urządzeń.

33 Konarka s Power Plastic Heliatek GmbH (6%, ogniwo na bazie materiałów małocząsteczkowych) Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (25 cm 2, 2,5%)

34 Technologia BIPV DyeSol Konarka

35 Przenośne źródło zasilania Konarka, Inc. W przyszłości: M.I.T, ogniwo drukowane na papierze

36 Plastikowej elektroniki ciąg dalszy Diody elektroluminescencyjne, ogniwa fotowoltaiczne, tranzystory, czujniki i wiele innych Inteligentne ubrania

37 Nowoczesny mundur Reaguje na światło i podczerwień Monitoruje najważniejsze parametry organizmu Zmienia porowatość w zależności od ilości wydzielanego potu Decyduje czy grzać czy chłodzić

38 Jak to się robi?

39 Kontrolowane warunki

40 Metody nakładania warstw z roztworu spin coating dip coating BASF, produkcja OSC Roll to roll

41 Ink-jet printing DuPont

42 This is the cover illustration of Advanced Materials ( /adma ). Credit: Artwork: Christoph Hohmann / Nanosystems Initiative Munich Read more at:

43 Stała Planck a h = 6,63x10-34 Js = 4,13x10-15 evs