Нанотехнология органических ...suprachem.photonics.ru › pdf › docs ›...
TRANSCRIPT
Нанотехнология органическихНанотехнология органическихсветочувствительных материаловсветочувствительных материалов
чл.-корр. РАН С. П.чл.-корр. РАН С. П. Громов,Громов,чл.-корр. РАН А. К. Чибисовчл.-корр. РАН А. К. Чибисов
- органические электролюминесцентные материалы и устройства (светодиоды и дисплеи);
- органические оптические сенсоры в том числе интегрированные (контроль окружающей среды, техносферы, состояния здоровья и др.);
- фотовольтаические устройства (фотодетекторы, органические солнечные батареи);
- оптические запоминающие устройства (оптические диски), нелинейные оптические среды, фотонные кристаллы.
Нанотехнология Нанотехнология органических светочувствительных материаловорганических светочувствительных материалов
(органическая нанофотоника)(органическая нанофотоника)
0
5
10
15
20
25
30
2005 2009 2013 2015
USD млд.
Прогноз рынкаПрогноз рынка органическойорганической наноэлектроникинаноэлектроники
300 240 210450
90 000 120 000
1 800
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
ЭЛМ Сенсоры Транзисторы СЭ Другие
сумма,
млн
. дол
л. США
2009 год
2025 год
Структура рынка органическойСтруктура рынка органическойнаноэлектроникинаноэлектроники
Органическая электроникаОрганическая электроника:: резюме резюме
Почему “Органическая”? Почему “Органическая”? НедостаткиНедостатки
- малый вес- гибкость и пластичность- низкая стоимость- большие площади- производство с использованием печатных технологий- широкий спектр контролируемых свойств
- Низкая стабильность во внешней среде- требует инкапсуляции- низкая эффективность (малые подвижности носителей зарядов)
Органические электролюминесцентныеОрганические электролюминесцентные материалы и устройства материалы и устройства
(светодиоды и дисплеи)(светодиоды и дисплеи)
Металлический катод, Al:Ca
Излучающий слой
Дырочно-транспортный слой
Прозрачный анод, ITO(оксид индий-олова)
Стеклянная подложка
+-
Органический дырочно-транспортный слой TPD
Органический излучающийэлектролюминесцентный слой
Alq3 (зеленый)
Принцип работы органических Принцип работы органических светоизлучающих диодовсветоизлучающих диодов
Органические соединенияОрганические соединения
“p-типа”
“n-типа”
ZnPc
Me-Ptcdi C60
Сопряженные полимеры Сопряженные полимеры
сопряженные полимеры “p-типа”
сопряженные полимеры “n-типа”
**
O
O
n
S ** n
N N*
*n
MDMO-PPV P3HT PFB
**
O
O
NCn
*
NN
S
*n
F8BTCN-MEH-PPV
Сопряженные полимеры в качестве полупроводниковСопряженные полимеры в качестве полупроводников
Дисплеи на основе ОСИДДисплеи на основе ОСИД
Преимущества по сравнению с ЖК-дисплеями
монохроматические полноцветные
• Полноцветность (24 бит)• Высокий контраст (3000:1)• Широкий угол обзора (170 oС)• Меньшее энергопотребление• Улучшенное быстродействие• Менее сложная архитектура• Малая цена, тонкие устройства
Продукция с ОСИД дисплеями Продукция с ОСИД дисплеями
Электронная бумага !Электронная бумага !
Производство электроники Производство электроники с гибкими дисплеямис гибкими дисплеями
Осветительные системыОсветительные системына основе ОСИДна основе ОСИД
Органические фотодетекторы Органические фотодетекторы
Принцип работы фотодетекторовПринцип работы фотодетекторов
Подложка
ITOPEDOT:PSS
Донор VАкцептор
Al катод
Электронодонорные материалы
Электроноакцепторные материалы (разработки ИПХФ РАН)
N
N
N
N
N
N
N
NZn
N
N
N
N
N
N
N
NZn
ZnPc ZnNc
NN
NN N
O
O
O
RR
O
N
O
R
O
N
O
R
O
PyF
PDINDI
Органические Органические солнечные батареисолнечные батареи
Производство солнечных батарей (МВт), Производство солнечных батарей (МВт), общий объем потребления и коммерческого использованияобщий объем потребления и коммерческого использования
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1988
1990
1992
1994
1996
1998
2000
2002
2004
2006
Всего
Конкурентоспособность Конкурентоспособность кремниевых солнечных батарейкремниевых солнечных батарей
Рост числа публикаций Рост числа публикаций по органическим солнечным батареямпо органическим солнечным батареям
Анод
(ITO
)
Катод
(Al)
Донорматериалр-типа
Акцепторматериал
n-типаhν
PED
OT
-
Принцип работы Принцип работы органических солнечных батарей органических солнечных батарей
Система η, %
Соединения фуллерена -полимер 5.2
Фуллерен С60 –малые молекулы
3.8
Полимер - полимер 1.8
Полимер - наночастицы(CdS)
2.6
Полимер - нанотрубки 0.22
Результаты для различных Результаты для различных комбинаций материаловкомбинаций материалов
OO
CH3
[60]РСВМ
S
S**
n
S
S**
n
P3HT
Система Система P3HT-[60]PCBMP3HT-[60]PCBM
SS
NS
N
**n
PCPDTBT
+ [60]PCBM P3HT+ P3HT+ [70]PCBM[70]PCBM
Тандемные батареи
ηη ~ 5.0%~ 5.0%
ηη = 3.5 - 4.0%= 3.5 - 4.0%
ηη = 6.5% = 6.5%
Органические Органические оптические сенсорыоптические сенсоры
Органические Органические оптические сенсорыоптические сенсоры
Потенциальные области Аналиты:Потенциальные области Аналиты:применения:применения:
• Медицинская диагностика
• Контроль качества воздуха в жилых помещениях
• Контроль качества пищевых продуктов
• “Умная” упаковка
• Детектирование взрывчатых веществ
• Контроль качества воды и биологических жидкостей
• Летучие органические соединения (толуол, бензол, ацетон, формальдегид и др.)
• Галогенпроизводные и аммиак
• Нитросоединения (ТНТ и др.)
• Нелетучие органические соединения и ионы металлов
Сольватохромные красители Сольватохромные красители для оптических хемосенсоровдля оптических хемосенсоров
Для обнаружения паров
полярных и неполярных веществ
в оптических хемосенсорах
используются сольватохромные
красители.
Сольватохромные красителиСольватохромные красители
N
NHH
9-Аминоакридин (9-AA)N
N
MeMe
MeMe
9-DTAA
O
N
NEt
EtO
Нильский красный
N
O
R
R R
R R
+
-
Краситель Рейхардта
Люминесцентный хемочипЛюминесцентный хемочип
AffymetrixGMS 417 Arrayed
ПС ЭЦЭЦ9-АА 9-ДТАА
ТОЛУОЛ
АЦЕТОН
ЭТАНОЛ
ПММА
530 нм380 нм
ПАРЫ РАСТВОРИТЕЛЯ
ПЛЕНКА СТЕКЛО
РАСТВОРИТЕЛЬ
ОПТОВОЛОКОН-НЫЙ ЗОНД
СЕЧЕНИЕ ЗОНДА
Оптоволоконный спектрофлуориметр Ocean Optics
Схема регистрации флуоресценции пленок Схема регистрации флуоресценции пленок
Сополимер-β-ЦД и эпихлоргидрина
β-ЦД
Оптические молекулярные сенсорыОптические молекулярные сенсоры
Циклодекстрины на нелетучие органические соединения
Краунсодержащие стириловые красителина ионы Ag+, Hg2+
R R
N
OS
O
O S
OR
+
Азакраунсодержащие стириловые красителина ионы Sr2+, Ba2+
R R
N
OO
O
N O
OR
Me
+
Интегрированные оптические хемосенсорыИнтегрированные оптические хемосенсоры
Сенсорные устройства, содержащие структурно-интегрированные сенсорный, электролюминесцентный,
светопоглощающий, фотовольтаический и фотодетекторный слои
Cхема макета пятислойного интегрального оптического
хемосенсора
Фотодетектор
Фильтр II
Родамин Ж
Фильтр I
ОСИД
Оптические запоминающие Оптические запоминающие устройстваустройства
Плотность магнитной памятиПлотность магнитной памятиприближается к пределуприближается к пределу
Двухфотонные 3Двухфотонные 3DD оптические диски оптические диски
MerocyanineSpiropyran
Fluorescence
1064 nm1064 nm
532 nm1064 nm
WRITE
READ
λ = 532 nm
ON
Cl
Me
Me Me
NO2
N
O
Me
Me Me
NO2
ClUV: 355 нм (532 нм + 1064 нм)
Vis: (1064 нм + 1064 нм)
Фотохромные соединения для 3Фотохромные соединения для 3DD оптической памяти оптической памяти
Конкретными требованиями являются:- большое сечение поглощения света;- высокая эффективность фотохимических превращений;- термостойкость форм А и В;- высокая устойчивость обеих форм к необратимым фотопревращениям;- эффективное считывание без разрушения записанной информации.
hν1
hν2G
F
W
Y R
V
ED
A
XR
BR R
1 2
3 4
GF
W
Y R
V
ED
A
XR
BR R
1 2
3 4
A B
SN
O
O
RS
N
O
O
Rhν1
hν2
A B
Диарилэтены
Фульгимиды
hν , ∆2
hν1
O
OOAr
RO
OArO
R
A BНафтаценхиноны
Индолилфульгиды и фульгимидыИндолилфульгиды и фульгимидыдля 3D оптической памятидля 3D оптической памяти
2001 г. Компания Constellation3D создала на базе индолилфульгидовпервые FMD ROM диски: 140 Гб (10 слоев).
hν1
hν2NX
O
OMeMe
Me
R
R
R12
NX
O
OMeMe
Me
R
R
R12
X
O
OMeMe
Me
NMe
X
O
OMeMe
Me
NMe
365 нм, Φ 0.4
546 нм, Φ 0.3
- системы химического запасания световой энергии (получение водорода фоторазложением воды);
- оптические логические устройства;
- оптоэлектронные процессоры и компьютеры;
- фотоуправляемые молекулярные устройства и машины.
Ближайшее будущее Ближайшее будущее органической нанофотоникиорганической нанофотоники
Благодарности:
Институт проблемхимической физики РАН
чл.-корр. РАН В. Ф. Разумов
Центр фотохимии РАН
внс, к.ф.м.н. В. А. Сажников,зав. лаб., д.ф.м.н. В. А. Лившиц,
внс, кхн А. И. Ведерников,снс, кхн С. Н. Дмитриева
http://www.photonics.ru