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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.

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1 Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D Rudolstadt Vortrag zum Weiterbildungs-Seminar, am in Hof/ Oberfranken Funktionspolymere Eigenschaften & 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?

2 Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D Rudolstadt Im heutigen Vortrag über Funktionspolymere Eigenschaften & 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 die Elektronik sich durch Flexibilität, Formanpassungsfähigkeit und niedrigen Preis auszeichnet besonders für die Fertigung von Polymerelektronik Prof. Dr. Hans-Klaus Roth Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung

3 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. halbleitende laser- modifizier- bare optische magnetischeleitfähige magnetische photovoltaisch aktive Basismaterialien für Transistoren, Aktoren, Sensoren, Displays, Solarzellen

4 Polymerelektronik ein in Entwicklung befindlicher neuer Zweig der Mikroelektronik Polymerelektronik Was ist Polymerelektronik? Welche Technologien werden zur Fertigung benötigt ? Nano- und Mikrotechnologien Halbleiterschichten nm, Elektrodenstrukturen µm organische Halbleiter-Polymere übernehmen in Kombination mit dielektrischen Polymeren und leitfähigen Polymeren die aktive elektronischen Funktionen

5 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 Target of the development of polymer electronics (OLED´s,... OFETs + IPCs,...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

6 Intrinsic semiconducting polymers (p or n)

7 Electron acceptor (J 2, SbF 5, AsF 5 ) +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

8 Zuküftige Anwendungsfelder: HighTech-Produkte aus Polymeren Konstruktions- und Funktionspolymere mit besonderen elektronischen Eigenschaften Feldeffekt-Transistoren (OFET´s) Polymerelektronik aus polymeren Halbleitern und Dielektrika Polymersolarzellen PV & Optoelektronik-Elemente aus polymeren Photoleitern Polymeraktoren Optikpolymere mit optimierter spektraler Transparenz elektronische Spezialpolymere für Planarantennen Photovoltaik lichtemittierende Dioden (OLED´s) und Laser TV, Radio GPS Abstandssensoren Superkapazitäten Polymerbatterien Chemo- und Biosensoren Feuchtesensoren Polymersensoren Temperatursensoren Druck- und Kraftsensoren Mikroantriebe für Mikrosystemtechnik Greifer Brennstoffzellen Polymerlaser Polymerdisplays Optoschalter Mikroelektronik für IUK-Technik Gewächshausfolien Sensoren Lichtleitkabel Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)

9 Polymere Feldeffekttransistoren Konstruktions- und Funktionspolymere mit besonderen elektronischen Eigenschaften Feldeffekt-Transistoren (OFET´s) aus polymeren Leitern, Halbleitern Polymersolarzellen PV & Optoelektronik-Elemente aus polymeren Photoleitern Polymeraktoren Photovoltaik Mikroantriebe für Mikrosystemtechnik Greifer Optoschalter Mikroelektronik für IUK-Technik Polymerelektronik Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)

10 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 SD SCP I gate substrate gate I SCP SD bottom-gate OFET top-gate OFET

11 ~ 1 mm or less µm gate Insulator polymer semiconductor (hole conducting ) Source / drain electrodes substrate Thin layers in Organic Field Effect Transistors (OFET s )

12 Silicon Ga As Costs SiC Performance Polymers smartlabel smartcards identification systems anti-theft sticker electronic stamps active matrix displays eletronic bar codes Polymer Electronics - Application Fields

13 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

14 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 > µm Zu erzeugende Mikrostrukturen für Source-Drain-Elektroden von OFETs

15 25 µm 1 µm Mikrostrukturierung von Polymerelektroden mit Laser

16 Sheet-to-sheet & reel-to-reel products of laser pattern (Reel-to-reel pattern by a simple home-built lab-equipment)

17 C 30 µm L 8 µm S/D electrodes from a conducting polymer on a PET foil

18 Transistorschichten und Leiterstruktur Elektrodenstruktur erzeugt durch Laserablation in PEDOT-Schicht auf PET-Folie mit 248 nm Leiterzugbreite 80 µm, El.abstand L = 10 µm PFET-Schichtstruktur

19 Polymersolarzellen Konstruktions- und Funktionspolymere mit besonderen elektronischen Eigenschaften Feldeffekt-Transistoren (OFET´s) aus polymeren Leitern, Halbleitern PV & Optoelektronik-Elemente aus polymeren Photoleitern Polymeraktoren Photovoltaik Mikroantriebe für Mikrosystemtechnik Greifer Optoschalter Mikroelektronik für IUK-Technik Polymerelektronik Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s) Polymersolarzellen

20 Polymere Solarzellen Photovoltaik der Zukunft - flexibel u. preisgünstig- Polymersolarzellen

21 substrate (Polyester, glass) ITO, PDOT active layer p-conducting polymer (h + -transport) n-conducting polymer (e - -transport) p-conducting polymer and molecular acceptoren like C 60 or nanoparticel from TiO 2, CdSe, CdS,... Aluminium Composite polymer solar cells from Donor-Acceptor-Typ Composite from conjugated polymer and C 60

22 CB VB ~ 2 eV ~ 1 ps LUMO HOMO h e-e- Basic mechanism in polymer solar cells: Fast electron transfer Energy levels in semiconducting polymer and in C 60 semiconducting polymer C 60 (CH 2 ) 3 COOCH 3 CH Ph C 60 3d

23 I/U-Kennlinie einer Polymersolarzelle V MPP V oc P MPP I sc I MPP FF Strom [mA/cm²] Spannung [V]

24 Mögliche Optimierungen = I sc * V oc * FF / P IN I sc - Optimierung der Dicke von Aktivschicht - Ladungsträgerbeweglichkeit - Zellconzept V oc : - Optimierung der elektronischen Niveau (HOMO-LUMO FF : - Optimierung der Morphologie der Aktivschicht - Verbesserung des Kontaktes mit den Elektroden P IN : - Optimierung des Absorptionsspektrum

25 Emissionsspektrum der Sonne (AM 1.5) im Vergleich zur Ab- sorption von gegenwärtig in der Photovoltaik verwendeten Halbleiterpolymeren ,30,40,50,60,70,80,911,11,21,31,4 [µm] Emissionsspektrum Sonne AM 1.5Absorption P3DDTAbsorption MDMO-PPV

26 one - way Elektronik & Niedrigenergiebereich solare Fahrzeug- komponenten kurzlebige Konsumgüter elektronisches Spielzeug Taschenrechner Handys usw. Verkehrsleitsysteme dezentrale Energie- versorgungen Camping- & Freizeitbereich Hilfskonvois u.ä. Kleinanwendungen Beleuchtungseinrichtungen Parkuhren, öffentliche Uhren Fahrpläne Verkaufsautomaten Wegwerfelektronik in der Medizintechnik mobile Informations- & Umweltmeßtechnik Architektur Fenster Fassadenwerbung Potentielle Applikationsfelder

27 Polymeraktoren Konstruktions- und Funktionspolymere mit besonderen elektronischen Eigenschaften Feldeffekt-Transistoren (OFET´s) aus polymeren Leitern, Halbleitern Polymersolarzellen PV & Optoelektronik-Elemente aus polymeren Photoleitern Polymeraktoren Photovoltaik Mikroantriebe für Mikrosystemtechnik Greifer Optoschalter Mikroelektronik für IUK-Technik Polymerelektronik Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPC´s)

28 Polymeraktoren Wirkprinzip eines elektrochemo-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 aktiven Schicht (Polypyrrol, Polyanilin o.ä.) mit einer passiven Schicht (z.B. PE, PET, PI, Metalle) ähnlich einem Bimetallstreifen Aktordesign: Polypyrrol Gold Polyimidfolie

29 Zwei unterschiedliche Polymeraktoren Polymermembran Metall (Pt, Au)U Polymermembran-Aktor Aktor auf Basis leitfähiger Polymere Aktormasse: 65 mg Zusatzmasse 1 g

30 Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D Rudolstadt Gegenstand des Vortrags waren: Funktionspolymere Eigenschaften & 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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