Corso di ELETTRONICA A SEMICONDUTTORI ORGANICI...

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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

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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

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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

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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

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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


Molecola “carica”(Ridotta)

Elettrone

Molecola che ritorna

neutraMolecola

neutra

-

La molecola deve ritornare esattamente nello stato iniziale

RIDUZIONE REVERSIBILE

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19 Intro Corso


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

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21 Intro Corso


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)

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23 Intro Corso


INIEZIONE CONTROLLATA (led)


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

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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

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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

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29 Intro Corso


OHMICO (transistore)

INIEZIONE CONTROLLATA (led)


30 Intro Corso

CIRCUITI FLESSIBILI

Dup

ont

Mercoledi e Venerdi

MOSFET

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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,

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33 Intro Corso



• possibilità di coprire grandi superfici,

34 Intro Corso




• emissione di luce nel visibile(… schermi), ad ampio angolo

SAMSUNG

NEC PMOLED

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35 Intro Corso




• 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

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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

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ALTRO

• Trattamento superficiale (SAM)

• Temperatura

• Purezza dei materiali

• Struttura dei dispositivi

• ecc ...

condizionano le prestazioni dei vari dispositivi

Vedremo anche come :

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39 Intro Corso

Nobel prize winners for Chemistry in 2000

Alan G. MacDiarmid Hideki ShirakawaAlan J. Heeger

"for the discovery and development of conductive polymers"

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