Materiały czyli z czego to jest zrobione. Poprzednio. Termiczna emisja elektronów w z metalu

Transkrypt

1 Elektroika plastikowa i orgaicza Materiały czyli z czego to jest zrobioe Poprzedio 1. tay wzbudzoe w półprzewodikach molekularych (ekscytoy, polaroy i ie) 2. Model swobodych elektroów eergia Fermiego, rozkład Fermiego 3. Model prawie swobodych elektroów struktura pasmowa (struktura pasmowa poliacetyleu) 4. Model przewodictwa Drudego 5. Metody pomiaru ruchliwości ośików ładuku (metoda trazystora FET, metoda czasu przelotu) 6. Typowe zaleŝości µ od pola oraz temperatury 7. Modele opisujące trasport w półprzewodikach molekularych 8. Wstrzykiwaie ładuku rodzaje kotaktów 9. Termoemisja elektroów z powierzchi metalu 10. Modele wstrzykiwaia ładuków Termicza emisja elektroów w z metalu Gęstość prądu: v prędkość uoszeia składowa w kieruku x: gdzie kocetracja ośików, e ładuek elektrou, pamiętając Ŝe: w wysokich temperaturach rozkład Fermiego moŝa przybliŝyć rozkładem Boltzmaa: 1

2 Termicza emisja elektroów w z metalu bliczamy ostatią całkę: wartość prądu emitowaego z powierzchi metalu: w obecości pola elektryczego aleŝy dodać poprawkę: Wstrzykiwaie ładuków Model klasyczy: gdy mobilość ośików ładuku jest wysoka (µ>10-3 m 2 V -1 s -1 ) dla iskiej ruchliwości ładuków aleŝy uwzględić efekty ładowaia się obszaru złącza oraz pojawieie się prądu wsteczego (wstrzykiwaie dyfuzyjie ograiczoe) gdzie V efektywa gęstość staów Model przeskoków: potecjał elektrostatyczy: g(e) fukcja gęstości staów, w esc prawdopodobieństwo całkowitej ucieczki Półprzewodiki ieorgaicze Materiały półprzewodikowe: krzem i (trazystory, układy scaloe, procesory) kryształy pierwiastków z grup III i IV AsGa (LED, układy wysokich częstości) krzem amorficzy (urządzeia fotowoltaicze) germa (wspomiay ze względów historyczych) Cechy: szerokość przerwy eergetyczej ~ ev wysoka mobilość ładuków, krótkie czasy przełączaia (przy odpowiedim domieszkowaiu) wysokie koszty wytwarzaia (mookryształy duŝej czystości) skomplikowae metody obróbki 2

3 Właściwa azwa: poliety Występuje w dwóch formach: cis poliacetyle forma iestabila, pod wpływem temperatury oraz światła przechodzi w formę tras tras forma stabila, domieszkoway wykazuje wysokie przewodictwo elektrycze (zbliŝoe do srebra) W 1976 pokazao, Ŝe po utleieiu za pomocą jodu poliacetyle zwiększa swe przewodictwo o 8 rzędów wielkości za co w 2000 roku Ala J. Heeger, Ala G MacDiarmid i Hideki hirakawa otrzymali agrodę obla z chemii (liki do wykładów oblowskich a stroach wykładu) poliacetyle Ze względu a trudości w przetwarzaiu oraz słabą odporość a waruki zewętrze poliacetyle ma iewielkie zaczeie praktycze Prosta budowa cząsteczki powoduje, Ŝe jest o bardzo atrakcyjy z modelowego puktu widzeia (dyskutowaliśmy strukturę pasmową w modelu prawie swobodych elektroów) truktura krystalicza moŝliwe ułoŝeia łańcuchów: Badaia krystalograficze wskazują a uporządkowaie typu c lub d (olid tate Comm. 83:179 (1992), Phys. Rev. B 32:4060 (1985)) poliacetyle W zaleŝości od metody sytezy poliacetyle powstaje w formie proszku lub foli, które ie adają się do dalszego przetwarzaia (są ierozpuszczale, ie ulegają stopieiu w akceptowalym zakresie temperatur) Metody obejścia problemu przetwarzaia: syteza rozpuszczalego prekursora, który pod wpływem ciepła przechodzi w poliacetyle (rys. a) dołączaie łańcuchów poliacetyleu do iych polimerów łatworozpuszczalych (rys. b) a) CF 3 b) F 3 C F 3 C RMP F 3 C cieplo H 3 C CH3 3

4 PEDT/PEDT azwa: poli(3,4-etyleo-1,4-dioksytiofe) Jede z ajtrwalszych polimerów przewodzących Przy iskim apięciu zachowuje się jak przewodik przy wysokim jak półprzewodik z wąskim pasmem przewodictwa Wykazuje własości elektrochromowe (zmieia barwę pod wpływem przepływu prądu elektryczego) Jest przeźroczysty w zakresie światła widzialego iestety jest słaborozpuszczaly przedaway komercyjie pod azwą: PEDT:P BAYTR (H.C. TARK dawiej fragmet BAYER) obecie CLEVI RGAC (AGFA) Zawiesia woda PEDT oraz P (poly(styreesulfoate)) Po wyschięciu ierozpuszczaly PEDT:P ajprawdopodobiej ajczęściej stosoway polimer sprzęŝoy Wykorzystyway do pokrywaia trasparetych elektrod w orgaiczych diodach świecących oraz ogiwach słoeczych, trazystorach FET Wspomaga trasport dziur z (LED) i do (fotowoltaiki) elektrody Praca wyjścia (~5eV) zaleŝy od składu mieszaiy oraz preparatyki ciekiej warstwy Redukuje ierówości warstwy IT elektroda Al mieszaia polimerów PEDT:P szkło+it 4

5 politiofe Wzór strukturaly: Polimer o własościach półprzewodika typu p Zaczie bardziej stabily iŝ ie polimery sprzęŝoe (p. poliacetyle) Domieszkoway osiąga przewodictwo rzędu 10 3 /cm (przewodictwo miedzi 5x10 5 /cm) W temperaturze ~38K przechodzi w sta adprzewodzący Przepływ prądu powoduje emisję światła o barwie czerwoej łaborozpuszczaly Wzór strukturaly: Poli(3-alkil tiofey) R R=C H 2+1 Regioregularość: Poli(3-alkil tiofey) Metoda sytezy Rieke (JAmChemoc. 117(1995)233): 5

6 Własości optycze P3AT Absorpcja i fluorescecja polimer P3BT reg. P3BT ra. P3HT reg. P3HT ra. P3T reg. P3T ra. λ max abs. 449 m 428 m 456 m 428 m 451 m 428 m λ max flur.* 569 m 548 m 570 m 550 m 570 m 549 m *fluorescecja z roztworu w chloroformie (JAmChemoc. 117(1995)233) Absorpcja i fluorescecja z roztworu w P3HT (JAmChemoc. 117(1995)233) Przesuięcie w stroę iŝszych eergii świadczy o dłuŝszym zasięgu sprzęŝeia w polimerach regularych poli(3-heksyl tiofe) ajbardziej istoty z puku widzeia aplikacyjego przedstawiciel P3AT tosoway w trazystorach FET oraz ogiwach słoeczych (w mieszaiie z PCBM zarejestrowao ajwyŝszą wydajość ~ 5%) Charakteryzuje się jedą z ajwyŝszych wartości mobilości ładuku wśród P3AT Przepływ prądu powoduje lumiescecję o barwie czerwoej Wykazuje silą tedecję do krystalizacji kotrast fazowy topografia obraz AFM bezpośredio po wylaiu ciekiej warstwy rgaic Electroics 7(2006)514 obraz AFM po wygrzaiu ciekiej warstwy C Wzór strukturaly: H polipirol (PPy) H Pierwsza rodzia polimerów sprzęŝoych opisaa w 1963 roku (jeszcze przed odkryciem hirakawy) Przewodictwo rzędu 1/cm Wzór strukturaly: poli(para feyle) (PPP) tosoway w polimerowych diodach świecących 6

7 Wzór strukturaly: poliailia (PAI) H H y 1-y RozróŜiamy 5 róŝych staów (w zaleŝości od stopia utleieia): leucoemeraldie y= 1 (całkowicie zredukowaa) protoemeraldie emeraldie y= 0,5 igrailie perigrailie y= 0 (całkowicie utleioa) Historyczie pierwszy polimer przewodzący: 1840 rok syteza (Fritzsche) 1980 rok poowe odkrycie MacDarmid W zaleŝości od preparatyki przewodictwo PAI sięga 10 4 /cm i silie zaleŝy od częstotliwości (przy 250 tłumieie sięga 90%) adaje się do przetwarzaia w wysokich temperaturach jak i z roztworu Kompozyty z polimerami ieprzewodzącymi (p. P) wykazują przewodictwo juŝ przy zawartości PAI kilku % Wzór strukturaly: polifeyleowiyle (PPV) Historyczie pierwszy polimer dla którego zaobserwowao efekt elektrolumiescecji, emituje światło zieloe Rozpuszczale pochode PPV H 3 C MEH-PPV max. absorpcji 495 m max. fluorescecji 554 m Główe zastosowaie polimerowe diody LED BEHP-PPV max. absorpcji 400 m max. fluorescecji 476 m MDM-PPV pochode polifeyleowiyleu H 3 C tosoway w polimerowych ogiwach słoeczych (wydajość ~ 2,5%) C-PPV C 6H 13 C 6H 13 H 13 C 6 C C H 13C 6 Jede z iewielu polimerowych półprzewodików typu tosoway w polimerowych diodach LED oraz ogiwach słoeczych 7

8 poly(bezobisimidazobezopheathrolie) A. Babel,. Jeekhe J. Am. Chem. oc. 125(2003)13656 BBL i BBB półprzewodiki typu Wysokie powiowactwo elektroowe (~ 4eV) Przyłączają 2 elektroy a jede segmet Mobilość elektroów w BBL (~0,1cm 2 V -1 s -1 ) jest 5 rzędów wielkości większa iŝ w BBB BBL BBB Fulerey C 60 C 70 Fulerey dkryte 1985 (obel 1996) przez: Harold Kroto Robert Curl, Richard malley Ispiracją były badaia H. Kroto przemia węgla zachodzące w pobliŝu gwiazd Pierwsze fulerey powstawały w wyiku oświetlaia tarczy grafitowej laserem W 1990 r. W. Kratschmar i D. Huffma zapropoowali metodę sytezy poprzez spalaie węgla w łuku elektryczym w atmosferze helu Historyczie pierwszy raz strukturę fulereów zapropoował sawa (1970) azwa pochodzi od azwiska Richarda Buckmister Fullera 8

9 Fulerey Z puktu widzeia chemii zachowują się tak jak związki aromatycze Charakteryzują się duŝą stabilością łaborozpuszczale: tolue 3 mg/ml; chloroform 0,25 mg/ml; 1-chloroaftale 53 mg/ml Fulerey w warukach ormalych wykazują własości półprzewodika typu dległość między poziomami HM i LUM 1,7 ev Domieszkowae przechodzą w sta adprzewodzący w temp. 42 K W elektroice molekularej zajdują zastosowaie w diodach LED oraz ogiwach słoeczych jako ośiki elektroów Modelowe obliczeia struktury elektroowej fulereów (HM-przybliŜeie Huckela) Peła azwa: fulere C60(70) modyfikoway estrem kwasu masłowego (ag. [6,6]-pheyl-C61-butyric acid methyl ester) Wzór strukturaly: PCBM [60]PCBM [70]PCBM Łatworozpuszczale w chloroformie Własości elektrooptycze typowe dla fulereów W elektroice molekularej zajdują zastosowaie w diodach LED oraz ogiwach słoeczych jako ośiki elektroów Podsumowaie 9

10 Podsumowaie Metody sytezy związków orgaiczych pozwalają a tworzeie półprzewodików orgaiczych o zadaych własościach mechaiczych i elektrooptyczych ajprostsze makromolekuły sprzęŝoe są mało przydate z techologiczego puktu widzeia Dołączaie grup boczych zwiększa rozpuszczalość modyfikuje zarazem własości elektrooptycze molekuł w rozpuszczalikach oraz w fazie skodesowaej Ie metody uzdatiaia polimerów sprzęŝoych to p. syteza prekursorów rozpuszczalych lub zawiesi Większość polimerów sprzęŝoych wykazuje przewodictwo typu dziurowego astępym razem Grafe i ie odmiay węgla 10