Що таке органічні напівпровідники? Матеріали, пристрої та сфери їх застосування.

1. Що таке органічні напівпровідники?

Органічні напівпровідники — це електронні матеріали на основі вуглецю, виготовлені з кон’югованих полімерів і невеликих молекул. Їх використовують для створення органічних електронних пристроїв, таких як органічні сонячні батареї, OLED-дисплеї та органічні польові транзистори. На відміну від кристалічних неорганічних напівпровідників, таких як кремній або сполуки III–V групи, органічні напівпровідники зазвичай являють собою молекулярні системи, які характеризуються структурною та енергетичною невпорядкованістю, а не періодичними твердими тілами (див. ??).

Це означає, що органічні напівпровідники не слід розглядати як менш ефективні версії кремнію. Вони належать до іншого класу напівпровідників. Їхні електронні властивості визначаються локалізованими молекулярними станами, енергетичною неоднорідністю, наявністю пасток, утворенням екситонів і нанорозмірною морфологією. Ці характеристики роблять органічну електроніку технологічно привабливою, але водночас роблять моделювання органічних напівпровідникових пристроїв фізично відмінним від традиційного моделювання кристалічних напівпровідників.

2. Чим органічні напівпровідники відрізняються від неорганічних напівпровідників.

У кристалічних напівпровідниках атоми розташовані в періодичній кристалічній гратці, і носії заряду часто можна описати за допомогою розширених зонних станів. Це призводить до відносно чітко визначених зон провідності та валентності, як показано на ??. В органічних напівпровідниках молекулярна структура менш впорядкована, і локальне електронне середовище змінюється від точки до точки. В результаті виникає широка щільність локалізованих станів, а не чітка межа зони (??).

Отже, перенесення заряду в органічних матеріалах часто описують як термічно активований стрибкоподібний процес між локалізованими станами, а не як перенесення, що відбувається у вигляді смуги через розширені стани. Носії заряду можуть потрапляти в низькоенергетичні стани, звідки їх пізніше вивільняють за допомогою термічної активації, а потім вони знову захоплюються в інших місцях. Це робить видиму рухливість значною мірою залежною від температури, концентрації носіїв, електричного поля, енергетичної неоднорідності та заповненості пасток.

Ще одна важлива відмінність полягає у фізиці екситонів. У багатьох органічних оптоелектронних матеріалах оптичне поглинання створює зв’язані електронно-діркові пари, які називаються екситонами, а не одразу генерує вільні носії заряду. Те, чи створює поглинутий фотон корисний електричний струм, залежить від дифузії, дисоціації, рекомбінації екситонів і нанорозмірного розташування донорних і акцепторних матеріалів.

3. Органічні напівпровідникові матеріали: полімери та невеликі молекули.

Органічні напівпровідникові матеріали зазвичай поділяють на дві основні групи: кон’юговані полімери та невеликі молекули. Полімери складаються з довгих молекулярних ланцюгів із делокалізованими \(\pi\)-електронними системами вздовж основної осі, тоді як невеликі молекули є сполуками з меншою молекулярною масою, які розроблені таким чином, щоб мати відповідні енергії граничних орбіталей, спектри поглинання та властивості кристалізації.

Перевага цієї хімічної гнучкості полягає в тому, що оптичну ширину забороненої зони, енергетичні рівні, розчинність, кристалічність і морфологію можна регулювати за допомогою молекулярного дизайну. Це одна з причин, чому органічні матеріали є привабливими для використання у фотоелектричних пристроях, світлодіодах, сенсорах і гнучкій електроніці. Недолік полягає в тому, що поведінка пристрою може бути надзвичайно чутливою до умов обробки, фазового розділення, молекулярної орієнтації та міжфазної структури.

4. Органічні електронні пристрої

Органічні напівпровідники використовуються в кількох основних типах органічних електронних і оптоелектронних пристроїв. У кожному випадку поведінка пристрою визначається не лише електронними властивостями матеріалу, але й оптичним поглинанням, морфологією, міжфазними контактами та процесами рекомбінації.

• Органічні фотоелектричні перетворювачі (ОФП) перетворюють поглинуте світло на електричний струм. Зазвичай вони використовують донорно-акцепторні гетеропереходи для розщеплення екситонів на вільні носії заряду. Перегляньте навчальний посібник із моделювання органічних сонячних елементів, щоб ознайомитися з практичним прикладом від OghmaNano.
• Органічні світлодіоди (OLED) вводять електрони та дірки в органічні шари, де вони рекомбінують, утворюючи збуджені стани, що випромінюють світло. Оптична інтерференція, положення зони рекомбінації та випромінювання можуть суттєво впливати на кінцевий результат випромінювання. Див. Навчальний матеріал з оптики когерентних тонких плівок OLED.
• Органічні польові транзистори (ОПТ) використовують електричне поле затвора для накопичення заряду на межі між органічним напівпровідником і іншим матеріалом. Їхні характеристики визначаються інжекцією заряду в контакті, рухливістю носіїв, неоднорідністю на межі та обмеженнями, пов’язаними з наявністю пасток. Див. навчальний посібник зі моделювання ОПТ.

5. Чим відрізняється моделювання органічних напівпровідників.

Моделювання органічних напівпровідників має враховувати наявність дефектів і локалізованих станів. Проста модель дрейфу-дифузії з постійною рухливістю та міжзонною рекомбінацією часто є недостатньою, оскільки концентрація носіїв заряду, рухливість, рекомбінація та внутрішнє електричне поле пов’язані між собою через щільність станів і заповненість локалізованих станів.

Наприклад, зміна інтенсивності освітлення або прикладеної напруги змінює заповненість пасток. Зміна заповненості пасток впливає на концентрацію вільних носіїв заряду. Зміна концентрації вільних носіїв заряду впливає на рекомбінацію та провідність. У результаті зміни розподілу заряду модифікується внутрішнє електричне поле та процес екстракції. Цей цикл зворотного зв’язку є однією з причин, чому моделі органічних пристроїв повинні включати фізику станів пасток.

Рекомбінація часто відбувається за участю пасток і зазвичай описується за допомогою рекомбінації Шоклі–Ріда–Холла. У невпорядкованих органічних напівпровідниках моделі типу SRH є не просто незначною поправкою: вони часто є важливими для опису захоплення, випромінювання та рекомбінації носіїв заряду через локалізовані стани. Саме тому моделювання органічних пристроїв найкраще розуміти як поєднаний процес, що включає транспорт, захоплення, рекомбінацію та електростатику, а не як просте обчислення потоку струму.

6. Переваги органічних напівпровідників

Органічні напівпровідники є привабливими, оскільки їх можна обробляти способами, які є складними або дорогими для традиційних неорганічних напівпровідників. Багато органічних матеріалів можна наносити при низькій температурі, обробляти з розчину, наносити на великі площі та інтегрувати на легкі або гнучкі підкладки.

Завдяки цим властивостям вони є перспективними для застосувань, де важливішими є механічна гнучкість, технологія виготовлення при низьких температурах, нанесення покриття на великі площі або можливість налаштування спектральних характеристик, ніж досягнення максимально можливої рухливості носіїв заряду. OLED-дисплеї є найяскравішим прикладом їх комерційного використання, але органічні напівпровідники також залишаються важливими для фотоелектричних елементів, фотодетекторів, сенсорів, носимих пристроїв і недорогої електроніки.

7. Обмеження та виклики

Ті самі властивості, які забезпечують гнучкість обробки, водночас створюють певні обмеження. Органічні напівпровідники зазвичай мають нижчу рухливість, ніж кристалічні неорганічні матеріали, а також більшу схильність до утворення пасток і вищу чутливість до морфології. Стабільність також може бути серйозною проблемою, особливо під впливом кисню, вологи, тепла, високої щільності струму або тривалого освітлення.

Інтерфейси мають особливо важливе значення. Селективність контакту, бар’єри для ін’єкції, міжфазні пастки та морфологія поблизу електродів можуть визначати поведінку пристрою. Саме тому виміряні характеристики органічного пристрою часто не є властивістю лише активного матеріалу, а залежать від усієї структури пристрою, історії його виготовлення та умов вимірювання.

8. У яких сферах органічні напівпровідники можуть досягти успіху.

Органічні напівпровідники навряд чи повністю замінять кристалічний кремній у всіх сферах застосування. Кремній залишається домінуючим матеріалом там, де вирішальними є висока рухливість, довготривала стабільність і налагоджене великосерійне виробництво. Органічні матеріали, швидше за все, знайдуть застосування там, де важливі їхні унікальні властивості: механічна гнучкість, можливість обробки при низьких температурах, легкі пристрої, можливість регулювання поглинання або випромінювання, а також сумісність із великомасштабним виробництвом.

OLED-дисплеї демонструють, що органічні напівпровідники можуть відігравати провідну роль, якщо фізичні властивості пристрою, матеріалознавство та технологія виробництва добре узгоджені. Майбутні можливості включають гнучку фотоелектрику, збір енергії в приміщеннях, органічні фотодетектори, біомедичні сенсори, портативну електроніку та гібридні системи, в яких органічні матеріали інтегровані з неорганічними матеріалами або технологіями на основі перовськитів.

9. Моделювання органічних напівпровідників у OghmaNano.

OghmaNano розроблено для моделювання органічних напівпровідникових пристроїв як взаємопов’язаних оптичних, електричних і морфологічних систем. Він включає в себе моделювання переносу за допомогою механізмів дрейфу та дифузії, розподіл станів пасток, SRH-рекомбінацію та нерівноважну рекомбінацію, динаміку екситонів, оптичне генерування та характеристику в частотній області в межах єдиного робочого процесу.

Для отримання загальної інформації про наявні навчальні матеріали див. моделювання органічних напівпровідникових пристроїв. На цій сторінці розміщено посилання на приклади, що стосуються OPV, OLED, OFET, SCLC, екцитонів, об’ємних гетеропереходів і прикладів у частотній області.