Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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