Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt Vortrag zum...

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