Eigenschaften & Anwendungsbeispiele Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt Prof. Dr. Hans-Klaus Roth Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung Vortrag zum Weiterbildungs-Seminar, am 10.3.05 in Hof/Oberfranken Funktionspolymere Eigenschaften & Anwendungsbeispiele Welche Hauptgruppen von Funktionspolymeren gibt es? • FP mit besonderen elektronischen Eigenschaften ( schließt nicht nur Halbleiter-Polymere sondern auch Polymere mit speziellen magnetischen und optischen Eigenschaften ein) • FP mit besonderen Adsorptions- und Transport-Eigenschaften (einschließlich spez. Membran-, Barriere- und Sperrschichteigenschaften)

Im heutigen Vortrag über Eigenschaften & Anwendungsbeispiele Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt Prof. Dr. Hans-Klaus Roth Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung 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

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 magnetische leitfähige leitfähige magnetische photovoltaisch aktive Basismaterialien für Transistoren, Aktoren, Sensoren, Displays, Solarzellen

Was ist Polymerelektronik? Polymerelektronik  ein in Entwicklung befindlicher neuer Zweig der Mikroelektronik Was ist Polymerelektronik? organische Halbleiter-Polymere übernehmen in Kombination mit dielektrischen Polymeren und leitfähigen Polymeren die aktive elektronischen Funktionen Welche Technologien werden zur Fertigung benötigt ?  Nano- und Mikrotechnologien  Halbleiterschichten 5 - 60 nm, Elektrodenstrukturen 1 - 30 µm

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 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

Intrinsic semiconducting polymers (p or n)

Doping of semiconducting polymers - Electron donor +e - PPP Electron acceptor (J 2 , SbF 5 , AsF 5 ) (e.g.electro chemical) +e - Polaron (n-Typ) Polaron (p-Typ) Electron donor - e - Electron acceptor Bipolaron (n-Typ) Bipolaron (p-Typ)

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

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

Organic Field-Effect Transistors based on functional polymers top-gate OFET bottom-gate OFET substrate gate I SCP S D gate I S SCP D substrate 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

Thin layers in Organic Field Effect Transistors (OFETs) gate Insulator polymer semiconductor (hole conducting ) Source / drain electrodes ~ 1 mm or less 100 - 200 µm substrate

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

Manufacturing of polymer OFET's & IPC's 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

Zu erzeugende Mikrostrukturen für Source-Drain-Elektroden von OFETs 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 b L 20 µm a

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)

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

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

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

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

Composite polymer solar cells from Donor-Acceptor-Typ Aluminium active layer ITO, PDOT substrate (Polyester, glass) p-conducting polymer (h+-transport) n-conducting polymer (e- -transport) p-conducting polymer and molecular acceptoren like C60 or nanoparticel from TiO2, CdSe, CdS, ... Composite from conjugated polymer and C60

Basic mechanism in polymer solar cells:  Fast electron transfer Energy levels in semiconducting polymer and in C60 3d CB ~ 1 ps ~ 2 eV LUMO HOMO VB semiconducting polymer C60 (CH2)3COOCH3 CH Ph C60

I/U-Kennlinie einer Polymersolarzelle Voc VMPP Strom [mA/cm²] FF IMPP PMPP Isc Spannung [V]

PIN : - Optimierung des Absorptionsspektrum 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 Emissionsspektrum der Sonne (AM 1.5) im Vergleich zur Ab-sorption von gegenwärtig in der Photovoltaik verwendeten Halbleiterpolymeren 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 l [µm] Emissionsspektrum Sonne AM 1.5 Absorption P3DDT Absorption MDMO-PPV

Potentielle Applikationsfelder 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

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

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

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

Gegenstand des Vortrags waren: Eigenschaften & Anwendungsbeispiele Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V. D-07407 Rudolstadt Prof. Dr. Hans-Klaus Roth Abt. Funktionspolymersysteme / Physikalische Forschung 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