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Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt
Vortrag zum Weiterbildungs-Seminar, am 10.3.05 in Hof/Oberfranken
FunktionspolymereEigenschaften & Anwendungsbeispiele
• FP mit besonderen elektronischen Eigenschaften ( schließt nicht nur Halbleiter-Polymere sondern auch Polymere mit speziellen magnetischen und optischen Eigenschaften ein)
Prof. Dr. Hans-Klaus Roth
Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung
• FP mit besonderen Adsorptions- und Transport-Eigenschaften(einschließlich spez. Membran-, Barriere- und Sperrschichteigenschaften)
Welche Hauptgruppen von Funktionspolymeren gibt es?
Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt
Im heutigen Vortrag über
FunktionspolymereEigenschaften & Anwendungsbeispiele
Funktionspolymere,
die spezielle elektronische Eigenschaften haben und besondere elektronische Funktionen übernehmen
Wozu werden diese gebraucht ? Z. B. um zuküftig Smart Textiles herstellen zu können, in denen auch dieElektronik sich durch Flexibilität, Formanpassungsfähigkeit und niedrigen Preis auszeichnet
besonders für die Fertigung von Polymerelektronik
Prof. Dr. Hans-Klaus Roth
Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung
Funktionspolymere mit speziellen elektronischen Eigenschaften
Makromolekulare Werkstoffe, die aktive elektron. Funktionen übernehmen
Homogene Polymere
Die speziellen elektronischen
Eigenschaften kommen direkt
von den Makromolekülen.
(= intrinsisch oder molekulargetragen)
Polymerkomposite
Den Polymeren werden anorganische oder organische Partikel zugemischt, welche die
besonderen Werkstoffeigenschaften erzeugen.
Die Makromoleküle bilden häufig nur die Matrix.
halbleitendelaser-
modifizier-bareoptische
magnetischeleitfähigeleitfähige magnetische
photovoltaisch aktive
Basismaterialien für Transistoren, Aktoren, Sensoren, Displays, Solarzellen
Polymerelektronik ein in Entwicklung befindlicher
neuer Zweig der
Mikroelektronik
Polymerelektronik
Was ist Polymerelektronik?
Welche Technologien werden zur Fertigung benötigt ?
Nano- und Mikrotechnologien
Halbleiterschichten 5 - 60 nm, Elektrodenstrukturen 1 - 30 µm
organische Halbleiter-Polymere übernehmen in Kombination mit
dielektrischen Polymeren und leitfähigen Polymeren
die aktive elektronischen Funktionen
to take advantage of- the enormous potential for the optimization of the electronic properties via the variation of the molecular structure, e. g. the adjusting of desired band gaps
- the low-cost manufacturing of polymers
- the good possibilities for combination with other devices made from organic polymers, e.g. OFET´s with OLED's
Silicon
Ga As
CostsSiC
Performance
Polymers
Target of the development of polymer electronics (OLED´s,... OFET’s + IPC’s, ...Solar Cells )
The primary aims of R&D for polymer electronics not replace of well-tried electronic materials and technologies opening of new application
fields for devices in which low-cost plastic engineering is required and, e.g. the flexibility of materials low-cost/ low-performance electronics
MEH-PPV OO-PPV BuEH-PPV
PANI: Polyanilin PPy: Polypyrrol Polyacetylenderivate
n
O
O
n
OC8H17
C8H17O
n
S
R
n
SS
S RSR
SS
n
-SexithiophenP3AT (R: C1,C6, C8, Octylphenyl)
PPP: Poly(p-phenylen)
N NNHn N
R
n
R
Rn
N n
OC6H13
C6H13O
OC6H13
C6H13O
CN
CN
n PPyV: Poly(p-pyridylvinylen)CN-PPV
Intrinsic semiconducting polymers (p or n)
Electron acceptor (J 2, SbF5, AsF5)+e-Electron donor(e.g.electro chemical)
PPP
Bipolaron (n-Typ) Bipolaron (p-Typ)
Polaron (n-Typ) Polaron (p-Typ)Electron donor - e-
Electron acceptor
+e-
- e-
Doping of semiconducting polymers
Zuküftige Anwendungsfelder: HighTech-Produkte aus Polymeren
Konstruktions- und
Funktionspolymeremit besonderen elektronischen Eigenschaften
Feldeffekt-Transistoren (OFET´s)Polymerelektronik
aus polymeren Halbleitern und Dielektrika
PolymersolarzellenPV & Optoelektronik-Elemente
aus polymeren PhotoleiternPolymeraktoren
Optikpolymere mit optimierter spektraler
Transparenz
elektronische Spezialpolymere für
Planarantennen
Photovoltaik
lichtemittierende Dioden (OLED´s)
und Laser
TV, RadioTV, Radio GPSGPS
AbstandssensorenAbstandssensoren
Superkapazitäten
Polymerbatterien
Chemo- und BiosensorenChemo- und Biosensoren
FeuchtesensorenFeuchtesensoren
Polymersensoren
TemperatursensorenTemperatursensoren
Druck- und KraftsensorenDruck- und Kraftsensoren
MikroantriebeMikroantriebe
für Mikrosystemtechnikfür Mikrosystemtechnik
GreiferGreifer
Brennstoffzellen
PolymerlaserPolymerlaser PolymerdisplaysPolymerdisplays
Optoschalter
MikroelektronikMikroelektronik für IUK-Technikfür IUK-Technik
GewächshausfolienGewächshausfolien
SensorenSensorenLichtleitkabelLichtleitkabel
Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)
Polymere Feldeffekttransistoren
Konstruktions- und
Funktionspolymeremit besonderen elektronischen Eigenschaften
Feldeffekt-Transistoren (OFET´s)aus polymeren Leitern, Halbleitern
PolymersolarzellenPV & Optoelektronik-Elemente
aus polymeren PhotoleiternPolymeraktoren
Photovoltaik
MikroantriebeMikroantriebe
für Mikrosystemtechnikfür Mikrosystemtechnik
GreiferGreifer
Optoschalter
MikroelektronikMikroelektronik für IUK-Technikfür IUK-Technik
PolymerelektronikIntegrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)
Organic Field-Effect Transistors based on functional polymers
S = source D = drain
gate = gate SCP = semiconducting polymer I
= insulating dielectric polymer layer Substrate = glass or engineering polymer (like PET or PI)
electrodes from ITO, gold, conducting polymer
substrate
S DSCPI
gate
substrate
gate
ISCPS D
bottom-gate OFET top-gate OFET
~ 1 mm or less
100 - 200 µm
gate
Insulator polymer
semiconductor(hole conducting)
Source / drain electrodes
substrate
Thin layers in Organic Field Effect Transistors(OFETs)
Silicon
Ga As
CostsSiC
Performance
Polymers
smart label
smart cards
identification systems
anti-theft sticker
electronic stamps
active matrixdisplays
eletronic bar codes
Polymer Electronics - Application Fields
Generation of electrodes from conducting polymers or thin metals
ink-jet printing photolithography and corrode technique screen printing microcontact printing pad printing ablation by excimer laser
offset printing other special methods gravure printing for structures L 20 µm for structures L 20 µm
Manufacturing of polymer OFET's & IPC's
a
b
L
0.3 mm < a < 3 mm,
1.0 µm < L < 50 µm
W = n a
2.0 mm < W < 25 mm
W >> L W / L > 500
20 µm
Zu erzeugende Mikrostrukturen für Source-Drain-Elektroden von OFETs
25 µ
m
1 µ
m
Mikrostrukturierung von Polymerelektroden mit Laser
Sheet-to-sheet & reel-to-reel products of laser pattern
(Reel-to-reel pattern by a simple home-built lab-equipment)
C 30 µm L 8 µm
S/D electrodes from a conducting polymer on a PET foil
Transistorschichten und Leiterstruktur
Elektrodenstruktur erzeugt durch Laserablation in PEDOT-Schicht auf PET-Folie mit 248 nmLeiterzugbreite 80 µm, El.abstand L = 10 µm
PFET-Schichtstruktur
Polymersolarzellen
Konstruktions- und
Funktionspolymeremit besonderen elektronischen Eigenschaften
Feldeffekt-Transistoren (OFET´s)aus polymeren Leitern, Halbleitern
PV & Optoelektronik-Elemente aus polymeren PhotoleiternPolymeraktoren
Photovoltaik
MikroantriebeMikroantriebe
für Mikrosystemtechnikfür Mikrosystemtechnik
GreiferGreifer
Optoschalter
MikroelektronikMikroelektronik für IUK-Technikfür IUK-Technik
PolymerelektronikIntegrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)
Polymersolarzellen
Polymere SolarzellenPhotovoltaik der Zukunft - flexibel u. preisgünstig-
Polymersolarzellen
substrate(Polyester,glass)
ITO, PDOT
active layer
p-conducting polymer (h+-transport)n-conducting polymer (e- -transport)
p-conducting polymerand molecular acceptoren like C60 or nanoparticel from TiO2, CdSe, CdS, ...
Aluminium
Composite polymer solar cells from Donor-Acceptor-Typ
Composite from conjugated polymer and C60
CB
VB
~ 2 eV
~ 1 ps
LUMO
HOMO
h
e-
Basic mechanism in polymer solar cells: Fast electron transfer
Energy levels in
semiconducting polymer and in C60
semiconducting polymer
C60
(CH2)3COOCH3CH
Ph
C60
COOH C60
3d
-2,0
-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Spannung [V]
Str
om
[m
A/c
m²]
ohne Beleuchtung
mit Beleuchtung
I/U-Kennlinie einer Polymersolarzelle
VMPP Voc
PMPPIsc
IMPP
FF
Str
om
[m
A/c
m²]
Spannung [V]
Mögliche Optimierungen
= Isc * Voc * FF / PIN
Isc - Optimierung der Dicke von Aktivschicht
- Ladungsträgerbeweglichkeit - Zellconzept
Voc : - Optimierung der elektronischen Niveau (HOMO-LUMO
FF : - Optimierung der Morphologie der Aktivschicht - Verbesserung des Kontaktes mit den Elektroden
PIN : - Optimierung des Absorptionsspektrum
Emissionsspektrum der Sonne (AM 1.5) im Vergleich zur Ab-sorption von gegenwärtig in der Photovoltaik verwendeten Halbleiterpolymeren
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4
[µm]
Emissionsspektrum Sonne AM 1.5 Absorption P3DDT Absorption MDMO-PPV
one - way Elektronik &Niedrigenergiebereich
solare Fahrzeug-komponenten
kurzlebige Konsumgüter•elektronisches Spielzeug•Taschenrechner•Handys usw.
Verkehrsleitsysteme
dezentrale Energie-versorgungen•Camping- & Freizeitbereich•Hilfskonvoi‘s u.ä.
Kleinanwendungen•Beleuchtungseinrichtungen•Parkuhren, öffentliche Uhren•Fahrpläne•Verkaufsautomaten
•Wegwerfelektronik in der Medizintechnik•mobile Informations- & Umweltmeßtechnik
Architektur•Fenster•Fassadenwerbung
Potentielle Applikationsfelder
Polymeraktoren
Konstruktions- und
Funktionspolymeremit besonderen elektronischen Eigenschaften
Feldeffekt-Transistoren (OFET´s)aus polymeren Leitern, Halbleitern
PolymersolarzellenPV & Optoelektronik-Elemente
aus polymeren PhotoleiternPolymeraktoren
Photovoltaik
MikroantriebeMikroantriebe
für Mikrosystemtechnikfür Mikrosystemtechnik
GreiferGreifer
Optoschalter
MikroelektronikMikroelektronik für IUK-Technikfür IUK-Technik
PolymerelektronikIntegrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)
PolymeraktorenWirkprinzip eineselektrochemo-mechanischen Aktors:
Volumenvergrößerung bzw. Verkleinerung in der leitfähigen Polymerschicht im Oxydations- und Reduktionsprozeß bei Spannungsvariation (im Bereich von -1 Volt bis +1 Volt)
Sandwichstruktur aus einer aktivenSchicht (Polypyrrol, Polyanilin o.ä.)mit einer passiven Schicht (z.B. PE,PET, PI, Metalle) ähnlich einemBimetallstreifen
Aktordesign:Polypyrrol
Gold
Polyimidfolie
Zwei unterschiedliche Polymeraktoren
Polymermembran
Metall (Pt, Au)U
Polymermembran-Aktor
Aktor auf Basis leitfähiger Polymere
Aktormasse: 65 mg Zusatzmasse 1 g
Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt
Gegenstand des Vortrags waren:
FunktionspolymereEigenschaften & Anwendungsbeispiele
Funktionspolymere,
die besondere elektronische Eigenschaften haben und spezielle elektronische Funktionen übernehmen können
Anwendungsbeispiele
Polymertransistoren Integrierte Polymer-Schaltkreise
Polymersolarzellen Photovoltaik
Polymeraktoren Mikrosystemtechnik
Prof. Dr. Hans-Klaus Roth
Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung
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