Post on 16-Feb-2019
1
1 Intro Corso
UNA ELETTRONICA CON SEMICONDUTTORI ORGANICI ?
Marco Sampietro
Corso di
ELETTRONICA A SEMICONDUTTORI ORGANICI
Principi, dispositivi ed applicazioni
2 Intro Corso
L’ ELETTRONICA ORGANICA
Sony
2
3 Intro Corso
IL NOSTRO PROTAGONISTA : il carbonio
• C6 : 6 elettroni , 1s22s22p2
• Elettronegatività media (tendenza a “condividere”elettroni piuttosto che “catturarli” o “cederli”)
4 elettroni nella shellpiù esterna
4 Intro Corso
MOLTEPLICITA’ di LEGAMI nel CARBONIO
sp2 benzene
etileneetilene
sp3 Diamante, Metano (CH4)
• Ibridizza:
sp
Si può quindi legare con altri atomi di carbonio in strutture planaricon legami σ (forti) nel piano e legami π fuori dal piano
3
5 Intro Corso
MOLECOLE π -CONIUGATE
antracene
Elettroni fortemente localizzati tra i nuclei dei C partecipanti al legame σ
Facile CONDUZIONE di carica nel piano della molecola
Dati i deboli legami π, gli elettroni π sono i più facilmente eccitabili al livello superiore(LUMO)
LUMO
Elettroni liberi di muoversi lungo la struttura sfruttando la sovrapposizione
degli orbitali pz con gli atomi vicini (delocalizzazione)
Gli elettroni π stanno negli orbitali molecolari a più alta energia (HOMO) HOMO
6 Intro Corso
PRINCIPALI MOLECOLE π -CONIUGATE
Anello benzenicoC6H6
Pentacene
Anello tiofenicoSC4H4
Politiofene
MercolediMolecole ….
4
7 Intro Corso
DELOCALIZZAZIONE e BAND-GAPSi dovrebbe parlare di livelli energetici molecolari.
Poiché i legami C-C sono tutti equivalenti ed hanno i medesimi livelli di energia corrispondenti ai pz
Per la maggior parte dei materiali coniugati il gap è nel visibile
h+
e-
Eg
LUMO
HOMO
- livelli energetici (banda di valenza e di conduzione) separati da un gap energetico
- 2 portatori di carica, elettroni e lacune
In analogia con i cristalli inorganici e per semplicità di analisi, i semiconduttori organici possono anch’essi essere rappresentati da:
“banda di energia” molecolare.
VenerdiFotofisica
sem. organici
8 Intro Corso
POLIMERI CONIUGATI
H H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Difetto sp3
La coniugazione (e quindi la CONDUCIBILITA’) lungo la molecola può essere diminuita a causa di:
difetti chimici
effetti conformazionali
La coniugazione è presente non solo nelle molecole aromatiche ma anche in oligomeri e polimeri
n
PoliacetileneLunghezza di coniugazione
5
9 Intro Corso
POLIMERI CONIUGATI - alcuni esempiAlcuni polimeri coniugati
** n
S* *n
**n
PPP PT
PPV
N ** n
HPPy
Poli para phenilene Poli tiophene
Poli para phenilene vinilene Poli pirrolo
Mercoledi e GiovediPolimeri
10 Intro Corso
MOLTEPLICITA’ DI PROTAGONISTI
Singole molecole ricche di legami πdeposte da fase vapore, struttura quasi cristallina, alta mobilità dei portatori pentacene
Oligomeri coniugatideposti da fase vapore o liquida, in alcuni casi struttura policristallina oligotiofeni
Polimeri coniugatideposti da fase liquida, amorfi, scarsa mobilità
PPP, PPV, poliacetilene
6
11 Intro Corso
ORGANIZZAZIONE SPAZIALE
Molecole organizzate nello spazio :
cristallo molecolare
forte sovrapposizione degli orbitali pz
delocalizzazione dell’elettrone su “tutto il cristallo”
Film amorfo
Le molecole sono legate da forze di Van der Wals (deboli)
12 Intro Corso
LA CHIAVE DEL SUCCESSO
Con i semiconduttori organici si riescono a controllare tutti gli aspetti fondamentali per la realizzazione di dispositivi elettronici con prestazioni riproducibili :
• FORMAZIONE
• TRASPORTO
• RICOMBINAZIONE
della carica elettrica
7
13 Intro Corso
FORMAZIONE della CARICA
Si agisce sugli elettroni π (poco legati), promuovendoli in stati elettronici a energia superiore.
ECCITONE(molecola con energia maggiore dello stato
fondamentale)
Fotoneo attivazione termica
… creazione di coppia e- - h+
Nei materiali coniugati la transizione (gap) è nel visibile o nel vicino I.R.
14 Intro Corso
IL TRASPORTO DELLA CARICAfilm amorfo
Bassa mobilità dei portatori, dettata dal fenomeno più lento.
a- trasporto della carica lungo la molecola (o il polimero) - facile
b- trasporto della carica da una molecola all’altra - difficileFenomeno reso ancora più complicato dal fatto che la distanza tra le catene ha una distribuzione casuale
Variable range hoppingemissione termoionica o tunneling
MercolediTrasporto di carica
8
15 Intro Corso
La mobilità aumenta all’aumentare della temperatura
FILM AMORFO - Influenza della temperaturaPRL 61 (2000) 7489
PPV
16 Intro Corso
TRASPORTO DI CARICA nei OFETTRASPORTO DI CARICA NEI OFETInfluenza dell’ordine molecolare (Pentacene)
Il controllo dello stato macroscopico della materia è FONDAMENTALE e viene ottenuto agendo su
a- design chimico della molecola,b- processo fisico di deposizione
9
17 Intro Corso
CONDIZIONI per il TRASPORTO
La molecola ridottanon deve reagire chimicamente o modificarsi strutturalmente
Molecola neutra
Molecola neutraMolecola che si “carica”
negativamente (Riduzione)
Elettrone-
Viene chiamata anche POLARONE
perché viene modificata la distribuzione di carica su di essa
18 Intro Corso
CONDIZIONI per il TRASPORTO
Molecola “carica”(Ridotta)
Elettrone
Molecola che ritorna
neutraMolecola
neutra
-
La molecola deve ritornare esattamente nello stato iniziale
RIDUZIONE REVERSIBILE
10
19 Intro Corso
CONDIZIONI per il TRASPORTO
Molecola che si carica positivamente
(Ossidata)
Lacuna
Molecola che ritorna
neutra
Molecola neutra
Le molecole di interesse devono sostenere
OSSIDO-RIDUZIONI REVERSIBILI
20 Intro Corso
LUMO
HOMO
PPV2.7eV
2 .3 0 e V2 .7 5 e V2 .8 7 e V2 .9 0 e V3 .7 0 e V4 .2 5 e V4 .2 6 e V4 .2 8 e V4 .3 3 e V4 .3 5 e V4 .4 2 e V4 .5 0 e V4 .6 5 e V4 .7 0 e V5 .1 0 e V5 .1 2 e V5 .1 5 e V
IT O
KN aC aL iM gP bA gA lT iZ nS nC rC u
A uP dN iP t 5 .6 5 e V
P b , A g , A l, T i,Z n , S n , C r, C u
IT O , A u , P d , N i
P t
ORGANIC
SEMICONDUCTOR
M g
N a , C a ,L i
, Si(p+)
Si(n+)
CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE
Giovedi
Contatti ed interfacce
11
21 Intro Corso
CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE
RETTIFICANTE (fotodiodo)
22 Intro Corso
RIVELATORI ORGANICI
EGAP
+-
light
EF Au
Au5.1eV
VBIAS
HOMO
LUMO
CrAu
quartz
VBIAS
lightRF
CF
VOUT
dithiolene
0 1µ 2µ 3µ-400m
-200m
0
200m
400m
600m VOUT
V OU
T [V]
Time [s]
impulso di luce
1MHz, duty cicle=50% @ 470nm, VBIAS=80V, L= 12µm
Fotorivelatori
Giovedi
Fotorivelatorie Celle solari
Celle fotovoltaiche
AgAccettore (A)
Donore (D)
ITO
Vetro
PV (50nm)
CuPc (30nm)
12
23 Intro Corso
CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE
INIEZIONE CONTROLLATA (led)
RETTIFICANTE (fotodiodo)
24 Intro Corso
ITO metallo
φIT
O
∆e
∆h
φm
1. Iniezione di carica
2. Trasporto
3. Formazione dell’eccitone
4. Ricombinazione con emissione di un fotone(ricombinazioneradiativa nel visibile)
RICOMBINAZIONE RADIATIVA
OLED
Giovedi e Venerdi
oLED
13
25 Intro Corso
Curve caratteristiche di un OLED
26 Intro Corso
DRIVERS per OLED
• Pilotaggio di ogni pixel in corrente
• Memorizzazione dellacorrente
• Compensazioni per eventuali variazioni dellasoglia dei transistori
Circuito attivo
OLED
Venerdi
Circuiti per schermi
14
27 Intro Corso
MOLECOLE SEMPLICI
R G B
HTLITO
Da OLED a PIXEL
Venerdi
Schermi oLED
28 Intro Corso
EMISSIONE STIMOLATA
Cathode5BTF8ITO
SiO2
SixNy
+-
Light out
440 450 460 470 480 490 500
PL
inte
nsity
(arb
itrar
y un
its)
Wavelength (nm)
Venerdi
Laser organici
15
29 Intro Corso
CONTATTI METALLO-SEMICONDUTTORE
OHMICO (transistore)
INIEZIONE CONTROLLATA (led)
RETTIFICANTE (fotodiodo)
30 Intro Corso
CIRCUITI FLESSIBILI
Dup
ont
Mercoledi e Venerdi
MOSFET
16
31 Intro Corso
VARIAZIONE DI CONDUCIBILITA’
H H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Difetto sp3
NH2
NO2
NH2+
NO2-
La coniugazione (e quindi la CONDUCIBILITA’) può essere diminuita a causa di:
*Difetti chimici *Effetti conformazionali *Presenza di sostituenti
J.Chen, M.A. Reed, A.M. Rawlett, J. M. Tour, Science, 286, 1150-1152, 1999
Venerdi
Memorie
32 Intro Corso
PERCHE’ USARESEMICONDUTTORI ORGANICI ?
• Flessibilità meccanica,
17
33 Intro Corso
PERCHE’ USARESEMICONDUTTORI ORGANICI ?
• Flessibilità meccanica,
• possibilità di coprire grandi superfici,
34 Intro Corso
PERCHE’ USARESEMICONDUTTORI ORGANICI ?
• Flessibilità meccanica,
• possibilità di coprire grandi superfici,
• emissione di luce nel visibile(… schermi), ad ampio angolo
SAMSUNG
NEC PMOLED
18
35 Intro Corso
PERCHE’ USARESEMICONDUTTORI ORGANICI ?
• Flessibilità meccanica,
• possibilità di coprire grandi superfici,
• emissione di luce nel visibile (… schermi),
• proprietà modificabili per via chimica,
• deposizione a bassa temperatura virtualmente su ogni tipo di substrato isolante, anche attivo,
• buon matching dell’indice di rifrazione aria-rivelatore
36 Intro Corso
COMPATIBILITA’ DI FUNZIONI
E-skinpressure sensors+oFETs
Sheet scannerPhotodetectors + oFETS
Braille displayActuators + oFETs
Power sheetCoils+MEMS+oFETs
Rolled screenoLEDs+oFETs
19
37 Intro Corso
SARA’ UNA TECNOLOGIA A BASSO COSTO ?
•Spin coating, casting
•Langmuir Blodgett deposition
•Molecular self assembling
•Ink-jet
•Stamping
•Nanoimprinting ...
Giovedi
Tecnologie di fabbricazione
Plastic PAni HIL HTL PolymerSubstrate Layer
38 Intro Corso
ALTRO
• Trattamento superficiale (SAM)
• Temperatura
• Purezza dei materiali
• Struttura dei dispositivi
• ecc ...
condizionano le prestazioni dei vari dispositivi
Vedremo anche come :