Semiconductori organici în electronică

Materialele semiconductoare sunt izolatoare la zero absolut dar conduc electricitatea, într-o anumita măsură, la temperatura camerei. Proprietatea definitorie a materialului semiconductor este aceea că poate fi dopat cu impurități care îi alterează,într-un mod controlabil, proprietățile electronice.

Din cauza faptului că materialele semiconductoare sunt elemente esențiale ale dispozitivelor electronice precum tranzistorul și laserul cu semiconductori, activitatea de cercetare pentru descoperirea unor noi materiale semiconductoare și de îmbunătățire a celor existente este un domeniu de cercetare important în cadrul disciplinei Știința Materialelor.

Cele mai utilizate materiale semiconductoare sunt materialele solide cristaline anorganice. Aceste materiale pot fi clasificate în funcție de grupele tabelului periodic în care se încadrează fiecare element chimic component.

Semiconductorul este un material a cărui rezistivitate este cuprinsă între cea a conductoarelor și izolatoarelor. Un câmp electric poate schimba rezistivitatea semiconductorilor. Dispozitivele fabricate din materiale semiconductoare sunt baza electronicii moderne, fiind părți componente în radiouri, computere, telefoane și multe altele. Dispozitivele semiconductoare sunt: tranzistorul, celulele solare, mai multe tipuri de diode, inclusiv dioda luminiscentă și circuite integrate. Panourile solare fotovoltaice sunt dispozitive semiconductoare care transformă energia luminii în energie electrică. Într-un conductor metalic, curentul este reprezentat de fluxul de electronii. Într-un semiconductor curentul este reprezentat fie de fluxul de electroni fie de fluxul de "goluri" din structura electronică a materialului.

În ultimii ani straturile subţiri din materiale organice au fost considerate ca fiind o alternativă importantă în realizarea dispozitivelor electronice şi opto-electronice , deoarece pot sa asigure transportul purtătorilor de sarcină, pot interacţiona eficient cu lumina şi pot prezenta proprietaţi optice neliniare. Aplicaţiile cele mai spectaculoase ale materialelor organicesunt: celulele fotovoltaice pe bază de straturi subtiri organice (organic photovoltaics-OPV) , dispozitivele organice emiţătoare de lumină (organic light emiting devices-OLED) , tranzistorii cu efect de câmp cu canal din semiconductor organic (organic field effect tranzistors-OFET) , etc, interfeţele semiconductor organic/anorganic fiind elemente cheie în funcţionarea acestor dispozitive. La nivel mondial există foarte multe laboratoare care au ca şi preocupare investigarea proprietaţilor materialelor organice datorită aplicaţiilor variate.

În functie de aplicaţia urmarită, matrialele organice pot fi folosite atât sub formă de cristale („bulk”) cât şi sub formă de straturi subţiri. Întrucât procesul de creştere al cristalelor implicăinstalaţii costisitoare şi timp îndelugat, este de preferat să se lucreze cu filme subţiri.

Materialele organice pot prezenta comportament de: izolatori (parilena, PS, PMMA), semiconductori (pentacen, tetracen, rubren, TCNQ, C60), metale (PEDOT:PSS), supraconductori (TMTSF, TMTTF, BEDT-TTF). Aceste proprietăţi permit utilizarea lor în toate tipurile de dispozitive .

Avantajul mare al acestor materiale organice este acela că pot fi procesate la temperaturi scăzute, putandu-se astfel obţine straturi subţiri pe diferite substraturi, inclusiv pe suporturi plastice depăşindu-se astfel limitarea impusă de semiconductorii anorganici. Această proprietate duce la o nouă generaţie de dispozitive fotovoltaice flexibile . Faptul că sistemele organice sunt flexibile şi au proprietăţi uşor de controlat au făcut ca aceste materiale sa fie luate în considerare ca potenţiali înlocuitori ai materialelor anorganice în unele dispozitive chiar dacă performanţele acestora sunt mai scăzute (momentan în cazul celulelor solare pe bază de semiconductori organici eficienţa de conversie a luminii în energie electrică este mai scazută decât în cazul celulelor tradiţionale).

Un alt motiv pentru care materialele organice sunt de preferat îl reprezintă metodele variate de preparare a straturilor subţiri de la metode simple (evaporarea în vid , centrifugarea (spincoating) , Langmuir-Blodgett) la metode mai complicate (evaporarea laser pulsata asistată de o matrice (matrix assisted pulsed laser evaporation-MAPLE), epitaxia în fascicol molecular a materialelor organice (organic molecular beam epitaxy-OMBE). În funcţie de aplicaţie (OPV, OLED, etc) şi de metoda de depunere folosită pentru a prepara straturile subţiri, se pot obţine structuri care să conţina unul, două sau chiar mai multe straturi organice.

Mecanismele de injecţie a purtătorilor de sarcină la interfaţa dintre metale şi solidele moleculare organice sunt mult mai complexe decât în cazul contactelor metal-semiconductor anorganic, unde conceptele de purtători de sarcină delocalizati, structura de benzi rigidă, şi înaltimea barierei energetice dintre metal şi semiconductor sunt bine cunoscute .

În semiconductorii organici, atât proprietăţile moleculelor îndividuale cât şi ordinea structurală a moleculelor în interiorul filmului determină proprietaţile macroscopice ale materialului. Aceste proprietăţi pot fi controlate folosind ingineria moleculară pentru a sintetiza molecule cu caracteristici adecvate şi din condiţiile procesului de depunere se poate controla modul de aşezare a acestor molecule într-un film .

De asemenea materiale polimerice optic neliniare au fost identificate ca fiind candidaţi importanţi pentru tehnologiile emergente fotonice, de procesare a datelor deoarece pot conduce la reducerea costurilor în sistemele de comunicare a datelor şi în telecomunicaţii. Aceste materiale sunt de asemenea utile pentru comutatoarele şi modulatoarele optice de largime de bandă ridicată, filtre cu lungime de undă acordabilă, împraştierea de unghi mic a fascicolelor, senzori cu acţionare de la distanţă, controlul fotonic al reţelelor fazate.