Органические полупроводники (ОПП). Применение, особенности

Особенность аппаратуры, в которой применяются органические полупроводники (ОПП), состоит в ее устойчивости к воздействию сильных радиационных излучений. Благодаря этому приборы, содержащие такие изделия, допускается применять в атомной энергетике, а также в открытом космосе. Помимо этого, подобные материалы отличаются повышенной чувствительностью к освещенности, что позволяет использовать их для запоминания информации с помощью специальных световых датчиков.

Краткая история открытия ОПП

Еще в 1862 году английскому ученому-химику Г. Летеби удалось получить органический материал-диэлектрик, обладающий частичной проводимостью. Для его приготовления он воспользовался известной реакцией окисления анилина в растворе серной кислоты. В 1950-х годах группа исследователей из разных стран выяснила, что на основе полициклических ароматических соединений можно получать так называемые «соляные» полупроводящие составы. Сделанное открытие свидетельствовало о том, что многие органические соединения способны частично пропускать ток.

Полупроводниковый эффект, как следствие инжекции носителей заряда с электродов из выбранного материала, был открыт позже. Ученые обнаружили, что дырочный ток удается получать в кристаллах антрацена, помещенного в электролит с добавлением йода (последний использовался в качестве инжектора положительных зарядов – дырок).

В 1973 году было создано первое в мире устройство, в состав которого входили органические полупроводники. Спустя восемь лет после этого на свет появилось изделие, работающее по тому же принципу и имеющее два устойчивых состояния. Официально оно называлось «бистабильный переключатель на полиацетиленах». Еще позднее (в 1979 году) был открыт новый полимерный полупроводник с высоким показателем проводимости, названный «полипирролом».

Из каких материалов изготавливаются органические полупроводники

К материалам ОПП относятся особые органические соединения, характеризующиеся следующими уникальными свойствами:

Повышенная твердость структуры.
Наличие природной или искусственной проводимости того или иного типа.
Положительный температурный коэффициент электропроводности.

Уникальность органических полупроводников проявляется в наличии в их молекулах ароматических колец, образующихся за счет прочных сопряженных связей. Носители тока в таких материалах появляются вследствие возбуждения освободившихся из такой связки дырок (p-зарядов). Энергия активации положительных носителей зависит от количества сопряжений, а с ростом их числа может снизиться до уровня теплового возбуждения.

Проводимость в органических полупроводниках обусловлена не одним только перемещением положительных зарядов в межмолекулярном пространстве. Определенный вклад в этот процесс вносят и колебания заряженных частиц, находящихся внутри молекул. Следствие этой особенности высокомолекулярных полупроводников – их низкое удельное сопротивление.

У большинства органических веществ этот показатель составляет от 105 до 109 Ом × см (для сравнения: у низкомолекулярных аналогов он варьируется в пределах от 1010 до 1016 Ом × см). Ярко выраженной проводимости n-типа, характерной для обычных полупроводников, в этом случае не наблюдается. Она получается путем добавления в чистый кристалл исходного вещества определенной примеси, способствующей образованию p-n перехода.

Классификация органических полупроводниковых материалов

Как правило, органические полупроводники производятся в следующих видах:

Порошки с аморфной или поликристаллической структурой.
Монокристаллы.
Гибкие пленки.

В соответствие с этим разделением изготавливаемые полупроводниковые материалы по своей структуре подразделяются на молекулярные кристаллы, металлорганические комплексы и полимерные изделия. Первые представляют собой полициклические ароматические соединения со свойствами низкомолекулярных кристаллических веществ, содержащие в своем составе ароматические кольца с двойными связями.

К таким материалам принято относить следующие соединения:

Антрацен С14Н10.
Нафталин С10Н8.
Фенантрен.
Вещества из семейства фталоцианинов и т. п.

К металлорганическим комплексам относят низкомолекулярные структуры, способные к полимеризации и состоящие из молекул с атомом металла в центральной части. Типичный представитель таких материалов – фталоцианин меди.

Молекулярные комплексы представлены полициклическими соединениями, в которых чаще всего преобладают взаимодействия электронного типа. По особенностям своей структуры они подразделяются на однородные и слоистые (со слоями p-типа и n-типа). Первая разновидность чаще всего встречается у соединений галогенов с ароматическими комплексами, а ко вторым принадлежит, в частности, смесь антрацена с щелочными металлами.

Полимерные органические полупроводники образуют группу материалов, макромолекулярная структура которых отличается длинными цепями сопряжения. По этой причине такие соединения имеют сложное строение и высокий показатель электрической проводимости. С удлинением цепочки сопряжений удельная электропроводность вещества также возрастает.

Свойствами полимерных полупроводников обладают следующие искусственные пигментные образования:

Трипафлавин.
Пинацианол.
Эозин.
Радамин.
Индиго.
Радофлавин и т. д.

Из природных аналогов перечисленных веществ особо отмечаются каротин, хлорофилл и т. п.

Чем привлекательны органические полупроводники

Изделия на основе органики обладают целым рядом преимуществ, к основным из которых относятся:

Простота серийного (массового) производства.
Возможность располагать полупроводящий слой на гибкой подложке.
Механическая прочность и ударная стойкость.
За счет использования органических веществ такие полупроводники отличаются низкими производственными издержками.

К их недостаткам относят необходимость тщательного отбора исходных материалов, которые должны соответствовать требованиям структурной совместимости с другими компонентами.

В каких областях применяются новые виды полупроводников на основе полимеров

Organicheskie poluprovodniki 2

Органические полупроводники, изготавливаемые на жесткой подложке, сегодня широко используются в качестве активных элементов в оптоэлектронике. На их основе производятся следующие электронные приборы:

Светоизлучающие диоды (OLED).
Солнечные элементы (батареи).
Полевые транзисторы (OFET).
Электрохимические транзисторные приборы.
Элементы биосенсорики.

Дальнейшее усовершенствование технологий создало условия для внедрения в производство новых разновидностей полупроводящих структур, работа которых основывается на рекомбинации электронов и дырок. Их освоение существенно расширит сферы применения ОПП.

Современные исследования и новые технологии производства

Следующий шаг в усовершенствовании методов получения ОПП – использование сделанного в прошлом веке открытия, касающегося эффекта люминесценции в некристаллических органических полупроводниках. В свое время было доказано, что интенсивное свечение (люминесценция) электронного происхождения может быть получено при использовании ароматического диамина (TAPC) и Alq3.

Для реализации этой технологии применяется метод генерации Alq3, осажденном из пара в тонком слое, расположенном в промежутке между катодом из MgAg и анодом из оксида индия-олова (ITO). В качестве самостоятельного направления при разработке органических светоизлучающих приборов OLED стало использование в качестве активных материалов так называемых «сопряженных полимеров».

Со временем интенсивность излучения приборов OLED существенно повысилась. Сделать это удалось после того, как было установлено, что фосфоресцирующие состояния могут получаться по более простой и эффективной технологии. Она состояла в том, что для получения OLED при легировании полупроводниковой матрицы в используемый состав добавляются особые фосфоресцирующие красители.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение проводимости кристаллов антрацена, в частности, имеющих непосредственный контакт с полутвердым электролитом. Они показали, что возбужденные световым лучом молекулы красителя после их напыления на поверхность кристаллов испускают носители заряда. Это явление получило называние «сенсибилизированная фотопроводимость».

Оно возникает вследствие целенаправленного возбуждения молекул красителя, подготовленного определенным образом. Для этого они должны обладать потенциалом окислительно-восстановительных реакций, после чего их напыляют на поверхность подложки или вводят в объем материала носителя. Открытие этого эффекта в электрофотографии носило революционный характер и стало технологической основой современных копировальных устройств.

Легирование с использованием электронных доноров (акцепторов) позволило сделать твердые органические изделия токопроводящими даже в отсутствие полноценного освещения. В качестве примера таких материалов обычно приводятся современные легированные светодиоды. Сегодня органические полупроводники помимо своего основного назначения также используются в солнечных элементах (OSCS) и в мощных полевых транзисторах структуры OFET.