Нанотехнология органических ...suprachem.photonics.ru › pdf › lections...

Нанотехнология органическихНанотехнология органическихсветочувствительных материаловсветочувствительных материалов

Чл.-корр. РАН,Чл.-корр. РАН, проф.проф.Громов Сергей ПантелеймоновичГромов Сергей Пантелеймонович

http://suprachem.photonics.ru

- 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 (органические солнечныебатареи, фотодетекторы);

- оптические запоминающие устройства (оптические диски).

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

. долл.

США

2009 год

2025 год

Структура рынка органическойСтруктура рынка органическойнаноэлектроникинаноэлектроники

Преимущества:Преимущества:

•• Технологии органической электроники Технологии органической электроники очень эффективны и дешевы очень эффективны и дешевы

•• Печатные технологии позволяют создавать Печатные технологии позволяют создавать интегральные схемы из органических материалов интегральные схемы из органических материалов на гибкой основе на гибкой основе

Технология нанесения органическихТехнология нанесения органическихполупроводниковполупроводников

Нанесение из раствора Испарение в вакуумеНанесение из раствора Испарение в вакууме

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 диодов (ОСИД)светоизлучающих диодов (ОСИД)

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

В 2000 г. А. Хигер, А. Мак-Диармид и Х. Сиракава получили Нобелевскую премию по химии за «открытие и развитие проводящих органических полимеров».

**

n

S ** n

S ** n

R

N ** n

H

S ** n

S ** n

OO

**

n

** n

S

*

*n

** n

N

N

N N*

*

H H

n

**

n

OR

R O

1

2

**

R

R

R

R

n

1

1

2

2

Полиацетилен(CH)x

Политиофен(PT)

Поли(3-алкил)тиофен(P3AT)

Полипиррол(PPy)

Полиэтилендиокситиофен

(PEDOT)

Полиизотианафтен(PITN)

Полипарафениленвинилен

(PPV)

Поли(2,5-диалкокси)парафениленвинилен

(напр. MEN-PPV)

Полипарафенилен(PPP)

Полипарафениленлестничного типа

(LPPP)

Полипарафениленсульфид

(PPS)

Полигептадиин(PHT)

Полианилин(PANI)

Дисплеи на основе ОСИДДисплеи на основе ОСИД

Преимущества по сравнению с ЖК-дисплеями

монохроматические полноцветные

• Отсутствие необходимости в подсветке • Меньшие габариты и вес, тонкие устройства• Отсутствие такого параметра как угол обзора • Мгновенный отклик (на порядок выше, чем у ЖК)• Более качественная цветопередача (высокий контраст)• Меньшее энергопотребление• Менее сложная архитектура, малая цена • Большой диапазон рабочих температур (от -40 до +70° C)

Продукция с ОСИД дисплеями Продукция с ОСИД дисплеями

Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, GPS-навигаторы, в приборы ночного видения, автомобильные бортовые компьютеры, в цифровые индикаторы лицевых панелей автомагнитол, MP3-плееры и т. д.

По оценкам аналитиков, объём рынка органических дисплеев вырастет до 3,2 миллиардов долларов в 2010 г.

Основные производители: Samsung, Pioneer, RiTdisplay, LGE.

Продукция с ОСИД дисплеями Продукция с ОСИД дисплеями

ОСИД-Телевизоры на мировом рынке уже выпускаются компанией Sony.

Электронная бумага !Электронная бумага !

Производство электроники Производство электроники с гибкими дисплеямис гибкими дисплеями

Осветительные системыОсветительные системына основе ОСИДна основе ОСИД

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

200019

88

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]ÐÑÂÌ

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 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 фотодетекторы встраиваются в охранные системы, оптические сенсоры.

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

Сольватофлуорохромный краситель Нильский красный

(∆λ = 130 нм)

N

O

R

R R

R R

+

-

Cольватохромныйкраситель Рейхардта

(∆λ = 350 нм)

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 Ca2+, 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

СенсорыСенсоры

Прототип Nokia N95

Может распознать различные газы, входящие в состав человеческого дыхания - CO2, NOx, NH3 и определить удельный вес каждого из них. Это позволяет распознать астму, диабет, рак легких, гастрит, определить количество алкагольных паров в дыхании человека.

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)

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

Фотохромные соединения для 3Фотохромные соединения для 3DD оптической памяти оптической памяти

Конкретными требованиями являются:- 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

- 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

Спасибо за внимание !Спасибо за внимание !

http://suprachem.photonics.ru