Polymer trong sản xuất điện tử

Các dạng polymer cơ bản trong sản xuất điện tử Tổng quan về polymer dẫnbán dẫn hữu cơ Diode phát quang hữu cơ (OLED) Pin mặt trời hữu cơ Transistor trường hữu cơ => Giới thiệu chung, nguyên lý hoạt động, ứng dụng

POLYMER TRONG SẢN XUẤT ĐIỆN TỬ VÀ NĂNG LƯỢNG

Danh sách thành viên

NỘI DUNG THUYẾT TRÌNH

Giới thiệu

Nguyên lý hoạt động của vật liệu hữu cơ

Ứng dụng chung

TỔNG QUAN

Pha tạp Oxy hoá

Tăng độ dẫn

Giới thiệu

Cho phép dịch chuyển electron

π giữa 2 orbital liền kề

Tính dẫn điện cho vật liệu đặc

thù

Vật liệu

π cộng hưởng

Cho phép dịch chuyển electron

π giữa 2 orbital liền kề

Tính dẫn điện cho vật liệu đặc

Biểu đồ trạng thái năng lượng - HOMO và LUMO

Nguyên lý hoạt động

Electron tồn tại trong phân tử ở nhiều trạng thái năng lượng khác nhau theo quy tắc:

• Electron thích vào những MO có mức năng lượng thấp hơn

• Mỗi MO có thể bỏ trống, có một hoặc tối đa là 2 electron.

• Quy tắc loại trừ Pauli

- Orbital có mức năng lượng

cao nhất có electron chiếm

giữ

~ Đỉnh vùng hoá trị

HOMO

- Orbital có mức năng lượng thấp nhất có electron chiếm giữ

~ Đáy vùng dẫn

LUMO

Biểu đồ trạng thái năng lượng - HOMO và LUMO

Hình Sơ đồ mức năng lượng của MO

• Khoảng cách giữa hai mức năng lượng HOMO và LUMO ~ khoảng cách của vùng

dẫn và vùng hoá trị trong bán dẫn vô cơ.

Nguyên lý hoạt động

Bản chất của hiện tượng phát quang

– Các electron vì một lý do nào đó bị đẩy lên mức năng lượng cao hơn (LUMO) có xu hướng nhảy xuống các mức năng lượng thấp hơn thông qua nhiều con đường.

– Trong đó có con đường phát ra photon với mức năng lượng xấp xỉ khoảng cách giữa LUMO và HOMO

– Nếu hiện tượng xảy ra trong thời gian ngắn cỡ thì gọi là hiện tượng huỳnh quang, kéo dài hơn từ đến 10s gọi là hiện tượng lân quang.

–  

Ưu điểm

– Có thể chế tạo được ở diện tích lớn

Nhược điểm

OLED

Solar Cell

Ứng dụng

PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

(ORGANIC PHOTOVOLTAIC SOLAR CELL)

SƠ LƯỢC VỀ PIN MẶT TRỜI

Lịch sử phát triển:

• Năm 1946, Russell Ohl được xem là người tạo ra pin năng lượng mặt trời đầu tiên có hiệu suất chỉ đạt 1%.

• Năm 1954, tế bào quang điện đạt hiệu suất 6% được làm từ Silic (Phòng thí nghiệm Bell ở Mỹ) và Cu2S/CdS (Không quân Mỹ).

• Năm 1963, Sharp Corp (Nhật) đã sản xuất những tấm pin mặt trời tinh thể Silic thương mại đầu tiên.

• Năm 1966, Đài quan sát thiên văn của NASA sử dụng hệ thống pin mặt trời công suất 1kW

SƠ LƯỢC VỀ PIN MẶT TRỜI

Các loại PMT hiện nay

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PMT tiếp xúc p-n cơ bản

Mô hình cấu tạo

 PMT: Thiết bị chuyển đổi quang năng thành điện năng

 Quá trình chuyển đổi: 2 bước cơ bản

 Các cặp điện tử - lỗ trống (các exciton) được sinh ra nhờ hấp thụ ánh

sáng

 Dưới tác động của điện trường (tạo ra bởi cấu trúc linh kiện), điện tử di

chuyển về phía bd loại n, lỗ trống di chuyển về phía bd loại p

=> tạo ra chênh lệch điện thế giữa hai cực

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PMT tiếp xúc p-n cơ bản

CẤU TẠO PIN MẶT TRỜI HỮU CƠ

4 lớp cơ bản:

• Điện cực cathode

• Lớp bán dẫn hữu cơ loại acceptor

• Lớp bán dẫn hữu cơ loại donor

• Điện cực anode

Nguyên lý hoạt động

Xét bán dẫn hữu cơ loại donor P3HT và loại acceptor PCBM

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động

Độ linh độ

Không duy trì được hình thái cấu trúc ban

đầu

Dễ bị oxi hóa dưới tác dụng của ánh sáng và

không khí

Khả nă

ng hấp thụ sán

POLYMER DẪN

Polymer trong PMT HC

Các mục tiêu đặt ra khi chế tạo PMT hữu cơ

 Tăng sự phát dòng điện và tăng sự truyền điện tích

 Tăng khả năng hấp thụ ánh sáng

 Sự điều chỉnh hình thái cấu trúc bề mặt

 Tăng Độ bền và hiệu suất của pin

Phân loại pin mặt trời hữu cơ

Đơn lớp Hai lớp Hỗn hợp Nhiều lớp (pin dạng phiến)

- Chỉ bao gồm một vật liệu bán dẫn.

- Miền hoạt quang (photoactive)

thường rất mỏng và hiệu suất bị suy

giảm do các hạt tải điện khi di

chuyển qua vật liệu bị mất mát do

hiện tượng tái tổ hợp.

- Ưu điểm :giảm hiện tượng tái hợp của các hạt tải điện do việc giảm quãng đường di chuyển của chúng

- Hạn chế :bề mặt tiếp xúc nhỏ, giảm hiệu xuất phân tách exciton và do vậy làm giảm hiệu xuất chuyển hóa quang năng thành điện năng của pin.

Hiệu xuất chuyển hóa của pin được cải thiện do xác suất exciton di chuyển đến vùng phân tách cũng như phân tách thành các hạt mang điện rất cao => cải thiện được nhược điểm của 2 loại cấu trúc pin trước đó

- Việc bổ sung lớp truyền tải giữa điện cực và lớp quang hoạt làm hiệu xuất truyền hạt tải đến các điện cực tăng.

- Hạn chế: một vài tính chất cơ học của vật liệu bán dẫn hữu cơ cần được đáp ứng (nhiệt độ chuyển pha thấp) để tạo thành lớp trộn lẫn.

Chế tạo pin mặt trời P3HT

Nhằm hoàn thiện pin mặt trời với cấu trúc A-D, P3HT được sử dụng như loại donor (vật liệu cho điện tử hay vật liệu dẫn lỗ trống), ta cần tìm thêm một loại bán dẫn aceptor (vật liệu nhận điện tử hay dẫn điện tử) Ở đây sử dụng đế C-Si pha tạp loại n+ làm vật liệu nhận và dẫn truyền điện tử cho pin thay cho vật liệu hữu cơ loại aceptor

Khảo sát sự ảnh hưởng nồng độ pha tạp Si loại n+ đến tính quang điện của pin mặt trời dựa trên lớp hoạt quang P3HT Pin có cấu trúc các lớp: Al/Si/n+/P3HT/Ag và cấu trúc vùng năng lượng như sau

Hình 3: Cấu trúc vùng năng lượng của pin mặt trời được khảo sát Hình 4: Cấu trúc các lớp trong pin mặt trời được khảo sát

• Khuếch tán nhiệt từ nguồn rắn và photpho đỏ

(P2O5)

• Môi trường khí Argon, ở 900℃

Tạo lớp n+ trên bề mặt đế C-Si

Chân không của hệ đạt Torr, dẫn khí Argon vào ống tới khi áp suất lớn hơn áp suất khí quyển 1 ít.

Màng P3HT được tạo bằng phương pháp drop-casting lên bề mặt đế Si pha tạp loại n+

Ủ màng ở 160 ℃ trong 1 giờ ở môi trường chân không cao.

Bốc bay kim loại Ag thành điện cực lưới để

tạo Anode

Kết quả và thảo luận

-Có thể áp dụng c-Si n+ này làm lớp truyền điện tử trong pin mặt trời.

Nhận xét cho quá trình pha tạp:

Transistor hiệu ứng trường hữu cơ

(OFET-Organic field-effect transistor)

Vật liệu chế tạo

– Các OFET sử dụng nhiều chất thơm và liên hợp như lớp bán dẫn hoạt động đã được công bố , bao gồm các phân tử

nhỏ như rubrene, tetracene, pentacene, diindenoperylene…

– Chất cách điện có thể được tạo thành từ nhiều loại điện môi , tuy nhiên đặc trưng nhất là silicon dioxide ( SiO2)

– Chất nền truyền thống cho OFET là Silicon oxy hóa nhiệt

Nguyên lý hoạt động

– Các transistor hiệu ứng trường thường hoạt động như một tụ điện.

– Nguồn : Hoạt động như một kênh dẫn dẫn điện giữa 2 tiếp xúc ohmic.

– .Cổng: Hoạt động để kiểm soát điện tích được gây ra vào kênh.

Hướng di chuyển của các sóng mang trong kênh là từ nguồn tới rãnh Do đó mối quan hệ giữa ba thành phần này là cổng điều khiển chuyển động của sóng mang từ nguồn tới rãnh.

OFET phát quang

– Năm 2003, một nhóm người Đức đã báo cáo transistor hiệu ứng trường phát sáng hữu cơ đầu tiên (OLET)

– Cấu trúc thiết bị bao gồm các điện cực nguồn , điện cực nối với nhau bằng vàng và một

màng mỏng tetracene đa tinh thể

– Cả hai, các điện tích dương (lỗ trống) cũng như các điện tích âm (electron) được bơm từ

các tiếp điểm vàng vào lớp này dẫn đến phát quang điện từ tetracene.

Ưu điểm Nhược điểm

Dễ chế tạo vì tất cả các lớp OFET có thể đươc lắng đọng và tạo mẫu

CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO OFET

Phương pháp hóa hơi chân không

Sự hóa hơi chân không là một dạng lắng đọng hơi vật lý được sử dụng

trong quy trình sản xuất các chất bán dẫn, vi điện tử, và các ngành công

nghiệp quang học.

Quá trình hóa hơi bao gồm :

-Hút chân không tạo môi trường áp suất thấp.

-Làm nóng vật liệu được bốc hơi để tạo thành lớp phủ trên bề mặt vật

liệu.

Phương pháp hóa hơi chân không

Ưu điểm

• Kỹ thuật này cho phép lắng đọng và thanh lọc các chất bán dẫn

hữu cơ phân tử nhỏ

• Kiểm soát bề mặt của độ tinh khiết và độ dày của phiến được gửi

• Các màng mỏng tinh thể có thứ tự cao có thể được nhận ra bởi

kiểm soát tốc độ lắng đọng và nhiệt độ bề mặt

Nhược điểm

• Các chất bán dẫn hữu cơ có trọng lượng phân tử cao không thể được hình thành bằng cách này, bởi vì chúng quá nặng để bay hơi và

có xu hướng phân hủy ở nhiệt độ cao

• Nhược điểm chính của nó là nó đòi hỏi các thiết bị phức tạp

Phương pháp này khác với kỹ thuật xử lý giải pháp đó là đơn giản và chi phí thấp.Khó có thể áp dụng trong quy mô công nghiệp

Phương pháp lắng đọng lỏng

Ưu điểm

• Phương pháp đơn giản

• Sẵn có của các đầu in tinh vi để tiếp tục nghiên cứu phát triển

• Kết hợp kết tinh antisolvent và in phun để sản xuất màng mỏng bán

dẫn hữu cơ tinh thể cao

Phương pháp liên kết phim mỏng

Điều khiển việc đặt các chất bán dẫn hữu cơ tinh thể có định hướng trong mặt phẳng là một vấn đề quan trọng đối với OFET hiệu năng cao.Nhiều kỹ thuật lắng đọng

đã được nghiên cứu để tạo mẫu và liên kết các chất bán dẫn hữu cơ

Liên kết phim mỏng

Liên kết lực cơ học :Ma sát chuyển giao ,nanoimprinting ,kỹ thuật Langmuir-Bloget

Đặt các chất bán dẫn hữu cơ trực tiếp lên các lớp căn chỉnh được chuẩn bị bằng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như cọ xát và

photoirradiation

Phát triển các chất bán dẫn hữu cơ dựa trên các tinh thể đơn vô cơ

Sử dụng từ tính hoặc điện liên kết do trường gây ra

Sử dụng kỹ thuật xử lý giải pháp để điều chỉnh các chất bán dẫn hữu cơ trên các chất đẳng hướng

Phương pháp liên kết phim mỏng

Hình 5 Sơ đồ của phương pháp cắt giải pháp (a) và (b) hình ảnh kính hiển vi quang học phân cực chéo của màng mỏng TIPS-pentacene.

Hình 6 Sơ đồ lớp phủ khe chết và hình ảnh AFM của màng với cấu trúc phân tử chồng lên nhau (a), (b) và (c) chỉ ra các trục tinh thể của cấu trúc tinh thể

Giới thiệu về OLED

Giới thiệu về OLED

( Organic light emiting diode )

- OLED: là diode phát quang hữu cơ trong đó có lớp phát quang là màng vật liệu hữu cơ sẽ phát sáng khi có dòng điện chạy qua

- Một lĩnh vực khoa học kết hợp giữa các ngành hóa lý, hóa tổng hợp, vật liệu bán dẫn và quang học

Ly do phát triển công ngh OLED ? ệ

 Về cấu trúc: OLED mỏng, nhẹ, dẻo hơn sơ với LED & LCD.

 Về năng lượng: OLED vượt tr i hơn LED & LCD.ộ

 Về hiển thị: OLED cho hình ảnh sáng & rõ nét hơn LCD & LED

 Về chế tạo: OLED có thể dễ dàng tạo thành những tấm kích thước lớn hơn

nhiều so với LCD & LED nhưng nhẹ và mỏng hơn

Giới thiệu về OLED

( Organic light emiting diode )

Cấu tạo OLED

Tấm nền – đế (Substrate)

Điện cực

Anode (tạo lỗ trống)

Cathhode (tạo electron)

Các lớp hữu cơ hoặc polyme

Cấu tạo OLED

- Một điện thế đặt lên toàn bộ thiết bị khiến cho anode tích điện dương hơn so với cathode.

- Điện tử được ‘‘điền’’ vào các obitan trống có mức năng lượng thấp nhất (LUMO) nằm trong các phân tử của lớp hữu cơ nằm tại cathode, và bị "rút" ra khỏi các obitan đầy có mức năng lượng cao nhất (HOMO) nằm tại anốt => Sự tiêm lỗ trống vào trong HOMO

- Lực tĩnh điện làm "di chuyển" vị trí các lỗ trống và các điện tử lại gần nhau và chúng kết hợp thành các exiton

- Khi trạng thái exiton bị phân rã, năng lượng được phát xạ ra

Nguyên lý hoạt động

POLIMER OLED (PLED)

Dựa theo khối lượng phân tử:

a) OLED phân tử nhỏ có khối lượng phân tử nhỏ

hơn 1000 (g.mol-1)

b) Polymer OLED có khối lượng phân tử lớn hơn

10.000 (g.mol-1)

Polymer OLED :

 Dựa vào những đặc tính của chuỗi dài phân tử polymer, có nhiều sự linh động hơn trong việc chế tạo những phân tử có khả năng tăng đặc tính truyền hạt mang điện và tăng hiệu ứng tái hợp Bên cạnh đó, có thể điều chỉnh sao cho phát ra ánh sáng có bước sóng mong muốn bất kỳ nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy

VD: MEHPPV là dẫn xuất của PPV (poly phenylene

vinylene) phát ra ánh sáng màu cam đỏ khi bị kích

thích Kết hợp với vật liệu P3HT Poly

(3-hexylthiophene) được biết tới như vật liệu truyền lỗ

trống với độ linh động lỗ trống tương đối cao 0,1

cm2/Vs.

Ưu điểm của PLED

- Hiệu điện thế sử dụng cho PLED thì thấp hơn loại OLED phân tử nhỏ

- PLED có độ dẫn tốt hơn và độ đồng nhất của màng mỏng polymer trong PLED được cải tiến hơn

- Giảm thiểu quá trình tái kết tinh

Tài liệu tham khảo

– Handbook of organic materials for optical and (opto)electronic devices

– Organic Photovoltaics: Materials, Device Physics, and Manufacturing Technologies, Christoph Brabec (Editor), Ullrich Scherf (Editor), Vladimir Dyakonov (Editor)

– Organic & Printed Electronics Technical Resources, https://www.sigmaaldrich.com

– Đề tài P3HT và ứng dụng vật liệu P3HT vào các linh kiện

– Organic Field-Effect Transistor: Device Physics, Materials, and Process (Jingjing Chang, Zhenhua Lin, Chunfu Zhang and Yue Hao)

– A review on fabrication process of organic light emitting diodes

– Device structures and materials for organic light emitting diodes

– Internet…