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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?
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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)
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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)
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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
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~ 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)
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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
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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
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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
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25 µ
m
1 µ
m
Mikrostrukturierung von Polymerelektroden mit Laser
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Sheet-to-sheet & reel-to-reel products of laser pattern
(Reel-to-reel pattern by a simple home-built lab-equipment)
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C 30 µm L 8 µm
S/D electrodes from a conducting polymer on a PET foil
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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
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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
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Polymere SolarzellenPhotovoltaik der Zukunft - flexibel u. preisgünstig-
Polymersolarzellen
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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
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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
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-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]
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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
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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
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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
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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)
![Page 28: Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt Vortrag zum Weiterbildungs-Seminar, am 10.3.05 in Hof/ Oberfranken](https://reader033.vdocuments.site/reader033/viewer/2022051400/55204d6449795902118baa1b/html5/thumbnails/28.jpg)
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
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Zwei unterschiedliche Polymeraktoren
Polymermembran
Metall (Pt, Au)U
Polymermembran-Aktor
Aktor auf Basis leitfähiger Polymere
Aktormasse: 65 mg Zusatzmasse 1 g
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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