Τι είναι οι οργανικοί ημιαγωγοί; Υλικά, συσκευές και εφαρμογές.

1. Τι είναι οι οργανικοί ημιαγωγοί;

Τα οργανικά ημιαγωγά είναι ηλεκτρονικά υλικά που βασίζονται στον άνθρακα και αποτελούνται από συζευγμένα πολυμερή και μικρά μόρια. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή οργανικών ηλεκτρονικών συσκευών, όπως οργανικά ηλιακά κύτταρα, OLED και οργανικά τρανζίστορ πεδίου. Σε αντίθεση με τα κρυσταλλικά ανόργανα ημιαγωγά, όπως το πυρίτιο ή οι ενώσεις III-V, τα οργανικά ημιαγωγά είναι συνήθως μοριακά συστήματα με μη περιοδική δομή και ενέργεια, αντί για περιοδικά στερεά (βλ. ??).

Αυτό σημαίνει ότι τα οργανικά ημιαγωγά δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται ως εκδοχές χαμηλότερης απόδοσης του πυριτίου. Αποτελούν μια διαφορετική κατηγορία ημιαγωγών. Η ηλεκτρονική τους συμπεριφορά ελέγχεται από τοπικές μοριακές καταστάσεις, ενεργειακή διαταραχή, πληρότητα παγίδων, σχηματισμό εκσιτονίων και νανοκλίμακα μορφολογία. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν την οργανική ηλεκτρονική τεχνολογικά ελκυστική, αλλά ταυτόχρονα καθιστούν τη μοντελοποίηση των οργανικών ημιαγωγικών συσκευών φυσικά διακριτή από την παραδοσιακή προσομοίωση κρυσταλλικών ημιαγωγών.

2. Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ των οργανικών και των ανόργανων ημιαγωγών.

Στους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς, τα άτομα είναι διατεταγμένα σε μια περιοδική κρυσταλλική δομή και οι φορείς φορτίου μπορούν συχνά να περιγραφούν χρησιμοποιώντας εκτεταμένες καταστάσεις ζώνης. Αυτό οδηγεί σε σχετικά καλά καθορισμένες ζώνες αγωγιμότητας και σθένους, όπως φαίνεται στο ??. Στους οργανικούς ημιαγωγούς, η διάταξη των μορίων είναι λιγότερο τακτική και το τοπικό ηλεκτρονικό περιβάλλον διαφέρει από σημείο σε σημείο. Ως αποτέλεσμα, προκύπτει μια ευρεία κατανομή τοπικών καταστάσεων αντί για μια ευκρινή άκρη ζώνης (??).

Ως εκ τούτου, η μεταφορά φορτίου στα οργανικά υλικά περιγράφεται συχνά ως θερμικά ενεργοποιημένη μεταπήδηση μεταξύ τοπικών καταστάσεων, αντί για μεταφορά τύπου ζώνης μέσω εκτεταμένων καταστάσεων. Οι φορείς φορτίου μπορούν να παγιδευτούν σε καταστάσεις χαμηλής ενέργειας, να απελευθερωθούν αργότερα μέσω θερμικής ενεργοποίησης και να επανασυλληφθούν αλλού. Αυτό καθιστά την φαινομενική κινητικότητα έντονα εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία, την πυκνότητα των φορέων, το ηλεκτρικό πεδίο, την ενεργειακή διαταραχή και την πληρότητα των παγίδων.

Μια άλλη σημαντική διαφορά είναι η φυσική των εκσιτονίων. Σε πολλά οργανικά οπτοηλεκτρονικά υλικά, η οπτική απορρόφηση παράγει δεσμευμένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, τα οποία ονομάζονται εκσιτόνια, αντί να παράγουν άμεσα ελεύθερους φορείς. Το αν ένα απορροφημένο φωτόνιο παράγει χρήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα εξαρτάται από τη διάχυση, τη διάσπαση, την ανασύνθεση των εκσιτονίων και τη νανοκλίμακα διάταξη των υλικών δότη και αποδέκτη.

3. Οργανικά ημιαγώγιμα υλικά: πολυμερή και μικρά μόρια.

Τα οργανικά ημιαγώγιμα υλικά συνήθως διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: συζευγμένα πολυμερή και μικρά μόρια. Τα πολυμερή αποτελούνται από μακριές μοριακές αλυσίδες με αποτοπιοποιημένα \(\pi\)-ηλεκτρονικά συστήματα κατά μήκος της κύριας αλυσίδας, ενώ τα μικρά μόρια είναι ενώσεις με χαμηλότερο μοριακό βάρος, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί ώστε να διαθέτουν κατάλληλες ενέργειες οριακών τροχιακών, φάσματα απορρόφησης και συμπεριφορά συσκευασίας.

Το πλεονέκτημα αυτής της χημικής ευελιξίας είναι ότι το οπτικό κενό, τα επίπεδα ενέργειας, η διαλυτότητα, η κρυσταλλικότητα και η μορφολογία μπορούν να ρυθμιστούν μέσω του μοριακού σχεδιασμού. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους τα οργανικά υλικά είναι ελκυστικά για φωτοβολταϊκά, εκπομπή φωτός, αισθητήρες και εύκαμπτα ηλεκτρονικά. Το μειονέκτημα είναι ότι η συμπεριφορά της συσκευής μπορεί να είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στις συνθήκες επεξεργασίας, στον διαχωρισμό φάσεων, στον μοριακό προσανατολισμό και στη διασύνδεση.

4. Οργανικές ηλεκτρονικές συσκευές

Τα οργανικά ημιαγωγά χρησιμοποιούνται σε διάφορες σημαντικές κατηγορίες οργανικών ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών συσκευών. Σε κάθε περίπτωση, η συμπεριφορά της συσκευής καθορίζεται όχι μόνο από τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού, αλλά και από την οπτική απορρόφηση, τη μορφολογία, τις διεπαφές, τις επαφές και την ανασυνδυασμό.

• Οι οργανικές φωτοβολταϊκές (OPV) μετατρέπουν το απορροφημένο φως σε ηλεκτρικό ρεύμα. Συνήθως, χρησιμοποιούν ετεροσυνδέσεις δότη-δέκτη για να διασπάσουν τα εξιτόνια σε ελεύθερους φορείς. Δείτε το σεμινάριο προσομοίωσης οργανικών ηλιακών κυψελών για ένα πρακτικό παράδειγμα της OghmaNano.
• Οι οργανικές διόδοι εκπομπής φωτός (OLED) εγχέουν ηλεκτρόνια και οπές σε οργανικές στρώσεις, όπου αυτές συνδυάζονται για να σχηματίσουν εκπεμπόμενες διεγερμένες καταστάσεις. Η οπτική συμβολή, η θέση της ζώνης ανασύνθεσης και η έξοδος φωτός μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την τελική εκπομπή. Δείτε το Οδηγός οπτικής λεπτής μεμβράνης OLED.
• Οι οργανικοί τρανζίστορ πεδίου (OFET) χρησιμοποιούν ένα ηλεκτρικό πεδίο πύλης για να συσσωρεύσουν φορτίο σε μια οργανική ημιαγώγιμη διεπιφάνεια. Η απόδοσή τους ελέγχεται από την επαφή έγχυσης, την κινητικότητα, την διαταραχή της διεπιφάνειας και τη μεταφορά που περιορίζεται από τις παγίδες. Δείτε το Μάθημα προσομοίωσης OFET.

5. Γιατί η μοντελοποίηση των οργανικών ημιαγωγών είναι διαφορετική.

Η προσομοίωση οργανικών ημιαγωγών πρέπει να αντιμετωπίζει ρητά την αταξία και τις καταστάσεις παγίδευσης. Ένα απλό μοντέλο διάχυσης-μεταφοράς με σταθερή κινητικότητα και ανασυνδυασμό ζώνης-προς-ζώνη είναι συχνά ανεπαρκές, επειδή η πυκνότητα φορέων, η κινητικότητα, ο ανασυνδυασμός και το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο συνδέονται μέσω της πυκνότητας των καταστάσεων και της πληρότητας των παγίδων.

Για παράδειγμα, η αλλαγή της έντασης του φωτισμού ή της εφαρμοσμένης τάσης επηρεάζει την πληρότητα της παγίδας. Η αλλαγή στην πληρότητα της παγίδας επηρεάζει την πυκνότητα των ελεύθερων φορέων. Η αλλαγή στην πυκνότητα των ελεύθερων φορέων επηρεάζει την ανασύνθεση και την αγωγιμότητα. Η επακόλουθη αλλαγή στην κατανομή των φορτίων στη συνέχεια τροποποιεί το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και την εξαγωγή. Αυτός ο βρόχος ανατροφοδότησης είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους τα μοντέλα οργανικών συσκευών πρέπει να περιλαμβάνουν τη φυσική των καταστάσεων παγίδευσης.

Η ανασυνδυασμός συχνά διευκολύνεται από παγίδες και συνήθως περιγράφεται χρησιμοποιώντας το μοντέλο Shockley–Read–Hall Shockley–Read–Hall. Στους διαταραγμένους οργανικούς ημιαγωγούς, τα μοντέλα τύπου SRH δεν αποτελούν απλώς μια μικρή διόρθωση: είναι συχνά απαραίτητα για την περιγραφή της σύλληψης, της εκπομπής και της ανασυνδυασμού των φορέων μέσω τοπικών καταστάσεων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η προσομοίωση οργανικών συσκευών γίνεται καλύτερα αντιλαμβανόμενη ως μια συνδυασμένη διαδικασία μεταφοράς, παγίδευσης, ανασυνδυασμού και ηλεκτροστατικής, και όχι απλώς ως ένας απλός υπολογισμός της ροής ρεύματος.

6. Πλεονεκτήματα των οργανικών ημιαγωγών.

Τα οργανικά ημιαγωγά είναι ελκυστικά επειδή μπορούν να υποστούν επεξεργασία με τρόπους που είναι δύσκολοι ή δαπανηροί για τα συμβατικά ανόργανα ημιαγωγά. Πολλά οργανικά υλικά μπορούν να εναποτεθούν σε χαμηλή θερμοκρασία, να υποστούν επεξεργασία από διάλυμα, να εκτυπωθούν σε μεγάλες επιφάνειες και να ενσωματωθούν σε ελαφριά ή εύκαμπτα υποστρώματα.

Αυτές οι ιδιότητες τα καθιστούν ενδιαφέροντα για εφαρμογές όπου η μηχανική ευκαμψία, η κατασκευή σε χαμηλές θερμοκρασίες, η επίστρωση σε μεγάλες επιφάνειες ή η φασματική ρύθμιση είναι πιο σημαντικές από την επίτευξη της υψηλότερης δυνατής κινητικότητας των φορέων. Οι οθόνες OLED αποτελούν το πιο χαρακτηριστικό εμπορικό παράδειγμα, αλλά τα οργανικά ημιαγωγά παραμένουν επίσης σημαντικά για τις φωτοβολταϊκές, τους φωτοανιχνευτές, τους αισθητήρες, τις φορητές συσκευές και τα οικονομικά προσιτά ηλεκτρονικά.

7. Περιορισμοί και προκλήσεις

Η ίδια ιδιότητα που επιτρέπει την ευέλικτη επεξεργασία δημιουργεί επίσης περιορισμούς. Οι οργανικοί ημιαγωγοί συνήθως έχουν χαμηλότερη κινητικότητα σε σύγκριση με τα κρυσταλλικά ανόργανα υλικά, ισχυρότερα φαινόμενα παγίδευσης και μεγαλύτερη ευαισθησία στη μορφολογία. Η σταθερότητα μπορεί επίσης να αποτελέσει σημαντικό πρόβλημα, ειδικά σε συνθήκες έκθεσης σε οξυγόνο, υγρασία, θερμότητα, υψηλή πυκνότητα ρεύματος ή παρατεταμένη έκθεση στο φως.

Οι διεπαφές είναι ιδιαίτερα σημαντικές. Η εκλεκτική επαφή, τα φράγματα έγχυσης, οι διεπαφειακές παγίδες και η μορφολογία κοντά στα ηλεκτρόδια μπορούν να καθορίσουν τη συμπεριφορά της συσκευής. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η μετρούμενη απόδοση μιας οργανικής συσκευής δεν είναι συχνά απλώς ιδιότητα του ενεργού υλικού, αλλά ολόκληρης της στοίβας της συσκευής, του ιστορικού επεξεργασίας και των συνθηκών μέτρησης.

8. Σε ποιους τομείς οι οργανικοί ημιαγωγοί έχουν τις περισσότερες πιθανότητες να επικρατήσουν;

Είναι απίθανο τα οργανικά ημιαγωγά να αντικαταστήσουν τον κρυσταλλικό πυρίτιο σε κάθε εφαρμογή. Ο πυρίτιος παραμένει κυρίαρχος εκεί όπου η υψηλή κινητικότητα, η μακροπρόθεσμη σταθερότητα και η ώριμη, μεγάλης κλίμακας παραγωγή είναι καθοριστικοί παράγοντες. Τα οργανικά υλικά είναι πιο πιθανό να επικρατήσουν εκεί όπου οι διακριτικές τους ιδιότητες έχουν σημασία: μηχανική ευκαμψία, επεξεργασία σε χαμηλές θερμοκρασίες, ελαφριές συσκευές, ρυθμιζόμενη απορρόφηση ή εκπομπή και συμβατότητα με την παραγωγή σε μεγάλη κλίμακα.

Οι οθόνες OLED αποδεικνύουν ότι τα οργανικά ημιαγωγά μπορούν να διαδραματίσουν κυρίαρχο ρόλο όταν η φυσική των συσκευών, η μηχανική των υλικών και η διαδικασία κατασκευής είναι καλά συντονισμένες. Οι μελλοντικές ευκαιρίες περιλαμβάνουν εύκαμπτα φωτοβολταϊκά, συλλογή ενέργειας σε εσωτερικούς χώρους, οργανικούς φωτοανιχνευτές, βιοϊατρικούς αισθητήρες, φορητά ηλεκτρονικά και υβριδικά συστήματα όπου τα οργανικά υλικά ενσωματώνονται με ανόργανες ή περοβσκιτικές τεχνολογίες.

9. Προσομοίωση οργανικών ημιαγωγών στο OghmaNano.

Το OghmaNano έχει σχεδιαστεί για να προσομοιώνει οργανικές ημιαγωγικές συσκευές ως συνδυασμένα οπτικά, ηλεκτρικά και μορφολογικά συστήματα. Περιλαμβάνει μεταφορά μέσω διάχυσης και μετατόπισης, κατανομές καταστάσεων παγίδευσης, συνδυασμό τύπου SRH και μη ισορροπημένο συνδυασμό, δυναμική εκσιτονίων, οπτική δημιουργία και χαρακτηρισμό στον τομέα της συχνότητας, όλα σε μία ενιαία ροή εργασίας.

Για μια πρακτική επισκόπηση των διαθέσιμων εκπαιδευτικών προγραμμάτων, δείτε το προσομοίωση οργανικών ημιαγωγικών συσκευών. Αυτή η σελίδα περιέχει συνδέσμους προς παραδείγματα για OPV, OLED, OFET, SCLC, εκσιτόνια, ομοιοκατανομές και παραδείγματα στον τομέα της συχνότητας.