1 / 65

Szerves félvezető elektronika

VLSI áramkörök fizikája. Szerves félvezető elektronika. Készítette:Hajdu Ferenc Átdolgozta=: Szabó Péter. Elektronvezető polimerek előállítása és vezetési mechanizmusa. Poliacetilén, (CH) X. Az első előállított vezetőpolimer. H. C. C. C. H. H. N. N. N. N. Polipirrol, PPy.

Download Presentation

Szerves félvezető elektronika

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. VLSI áramkörök fizikája Szerves félvezető elektronika Készítette:Hajdu FerencÁtdolgozta=: Szabó Péter

  2. Elektronvezető polimerek előállítása és vezetési mechanizmusa

  3. Poliacetilén, (CH)X • Az első előállított vezetőpolimer. H C C C H H

  4. N N N N Polipirrol, PPy Adalékolással (doppolás) tehető vezetővé + + + +

  5. Polianilin, PANi Első előállítás: Letheby, 1862 anilin kénsavas oldatából, anodikus oxidációval. Elektonvezető polimer (ECP). Ezen tulajdonsága legalább 30-35 éve ismert.

  6. -4H+ -4e- -4H+ -4e- L E P Protonálás +4HA +4A- -4e- +4HA -4A- -4e- -8H+ -4H+ -4e- LH8x EH8x Oxidálás Polianilin Oxidációs alakjai: Leukoemeraldin, Emeraldin, Pernigranilin.

  7. H Polianilin oxidációs állapotai H H H H + N N + N N H H Polaron alak Polipernigranilin bázis Poliemeraldin bázis Polileukoemeraldin bázis Poliemeraldin bázis Bipolaron alak

  8. Polianilin vezetőképes állapota A legjobb vezetőképességgel a Poliemeraldin só rendelkezik. A poliemeraldinnál minden második N-atom iminkötésben vesz részt. Minden iminkötés protonálásával Emeraldin só képződik. Az aminkötések további protonálása rontja a vezetőképességet. NH N Aminkötés Iminkötés

  9. S NH2 Anilin Benzol SH Fenilén-szulfid A gyűrűs molekulákról I A benzol- és pirrolgyűrűben delokalizált elektronok is vannak. H N Pirrol Tiofén

  10. A gyűrűs molekulákról II Lokalizált elektronok Delokalizált elektronok Benzoid amin Quinoid imin Polianilin általános képlete

  11. Dope-olás A vezetőpolimerek vezetőképességét javítja. Ionok beépítését, adalékolást jelent. A polimerláncok mentén a töltéseloszlást módosítja. A rétegnövesztéssel egyidejűleg is történik. Nem csak monomolekuláris anyag pl. HSO4- anion lehet: léteznek polimer savak is, melyek adalékolhatják a vezető polimert. Ez már kompozit anyagnak tekinthatő.

  12. Vezetőképesség Az anionnal történő adalékolás a töltéseloszlást megváltoztatja. Félvezető tulajdonságaik a véges tiltott sávból következnek. Például: Poliacetilén 1,4 eV Politiofén 2,0 eV Vezetőképességük tág határok között változhat

  13. 6 Cu 10 Bi 4 10 2 Ge 10 0 10 -2 10 Si -4 10 -6 10 -8 (CH) 10 x -10 10 PPy -12 10 PE PTh -14 PANI Nylon 10 -16 10 PPP PS -18 PPS 10 -1 -1 ( W cm ) s Dope-olt PPP Poli (p-fenilén) PPS Poli (p-fenilén szulfid) PTh Politiofén PE Polietilén PS Polisztirol

  14. Vezető polimerek előállítása • Anodikus oxidáció a monomert tartalmazó oldatból • Ciklikus voltammetriás leválasztás: hasonló az előbbihez. • Felcseppentés és beszárítás oxidáló atmoszférában (pl. levegő, oxigén, sósavgőz) • Előre elkészített polimerfilm használata • Langmuir-Blodget technológia. A technológia kiválasztása hat a réteg tulajdonságaira!

  15. Polimerrétegek Egykomponensű Elvben mindegyik eljárás alkalmazható, de a rétegek tulajdonságai eltérőek lehetnek. • Kompozit • Mechanikai tulajdonságok javítása, vagy speciális cél • Vezetőképesség romlik. • LB technológia monomolekuláris rétegekhez!

  16. Anódos oxidálás Polianilin előállítására először használt eljárás. A galvanizáláshoz hasonló eljárás. Ott állandó áramsűrűség, itt állandó elektródpotenciál szükséges. A túl nagy munkaelektród-potenciál a Polianilin irreverzibilis túloxidálásához vezet.

  17. Ciklikus voltammetria I Háromelektródos módszer. Referenciaelektród, munkaelektród (W), ellenelektród (C). • A munkaelektród valamilyen nemesfém, itt arany. • Az ellenelektródot a savas környezet nem támadhatja meg, anyaga itt platina. • A referencia-elektród Kalomel vagy Ag/AgCl. W C R

  18. Ciklikus voltammetria II A munkaelektródnak a referenciához viszonyított potenciálját változtatják két feszültségérték között. Állandó sebességgel: Linear Sweep Voltammetry. UW,R t

  19. Ciklikus voltammetria III A W és R elektród közti feszültség hatására áram folyik. A potenciosztát a referenciaelektródon nem enged áramot folyni, az ellenelektród potenciálját változtatja, hogy IWORK+ICOUNTER=0 teljesüljön. A/D átalakítóval az áram/feszültség adatokat feldolgozhatóvá teszi.

  20. GS001 2001. 10. 30. 3 3 100cm 0,8 Mólos H SO +1,5 cm ANi 2 4 dU/dt = 100 mV/s 24 ciklus Ciklikus voltammogram 3m 2m 1m I (A) 0 -1m -2m -200m 0 200m 400m 600m 800m U (V)

  21. Ciklikus voltammetria IV Az így nyert filmek sérülékenyek, kis mechanikai behatásnak sem állnak ellen. Nagy feület/térfogat aránnyal rendelkeznek (porózusak). Ez a gázérzékelőknél kihasználható, lásd később.

  22. Kronoamperometria Rétegelőállításra és anyagvizsgálatra egyaránt alkalmas módszer. Az elrendezés hasonló. Áramimpulzus hatására fellépő elektródpotenciál-tranzienst mérik. A rendszer időállandóinál rövidebb áramimpulzus szükséges.

  23. LB-technológia

  24. Néhány kompozit polimer • Eredetileg: Szigetelő polimerbe ágyazott vezetőszemcsék. Itt: a vezető fázis is polimer. • PANi - Poli(metil-metakrilát). (Plexi) Oldatukból egyidejűleg történő beszárítással • PANi - PSSA (Polystyrenesulfonic acid) rétegek ,,önépítő”, self-assembly technológiával

  25. Vezetőpolimerek alkalmazásai • Érzékelő: Redukáló-oxidáló atmoszféra • Vezetők • Beavatkozók - térfogatváltozás miatt • Kijelzők - színváltozás miatt • Szuperkapacitások és telepek Polimer FET-ek készíthetők, így egy teljes elektronikus rendszer is előállíthatócsak polimerekből!

  26. Polimer beavatkozók • A polipirrol és a polianilin térfogata redox reakciók során megváltozik • A térfogatváltozás során fellépő erők irányíthatók, ,,mesterséges izom’’ alakítható ki Nyitható-zárható mikroüregek szilíciumon

  27. Elektronvezető polimerek érzékelési mechanizmusa és az adatok feldolgozása Hajdu Ferenc

  28. Korábbi megoldások I Már régóta ismert az elektronvezető polimerek, (továbbiakban EVP) alkalmassága gázérzékelési célokra.

  29. Fizikai jelenségek A vezetőpolimereknek megvátozhat egy vagy több fizikai paramétere egyes, a légkörben levő gázok hatására. Ezek mérésével gázérzékelő építhető. • Térfogatváltozás • Tömegváltozás • Fényelnyelés-változás • Vezetőképesség-változás

  30. Térfogatváltozás Az EVP-k térfogata egyes gázok hatására megváltozik. A szakirodalomban egy megoldás: flexibilis hordozóra leválaszott polimer kettősréteg a bimetallokhoz hasonlóan megváltoztatja görbületi sugarát, ez mérhető. Mozgathat mechanikus alkatrészeket, vagyis nem csak érzékelőként használható.

  31. Tömegváltozás Ilyen irányú kísérletről nem számolt be a szakirodalom. Elektrokémiai adalékolás közbeni tömegváltozásról igen. A polimer abszorbeálja a gázokat, ilyen kis tömegváltozás is jól mérhető lehet pl. kvarc mikromérleggel.

  32. Fényelnyelés-változás Polianilin alapú, optikai elven működő gázérzékelőt már készítettek. A polimer fényelnyelési spektruma (színe) megváltozik. Egy vagy két hullámhosszon szokás mérni érzékelőkben, a teljes spektrum letapogatása általában nem szükséges.

  33. Az optródról röviden (Optikai szenzor, amely elektródhoz hasonlít) üvegszálak Érzékelőanyag, színe megváltozik a mérendő mennyiség hatására. Példa: pH mérő

  34. Vezetőképesség-változás A vezetőképesség változását az adalékkoncentráció függvényében már vizsgáltuk. Számos tanulmány készült ebben a témában más gázokkal is (NO2) Itt az ammóniakoncentrációt érzékelő eszközt vizsgáljuk

  35. H H H H H + N N + N N H H Ammónia kémiai hatása I Az adalékolást és adalékvesztést már áttekintettük. Emlékeztetőül:

  36. Ammónia kémiai hatása II Az ammónia valószínűleg deprotonálja a polimert. NH4+ ion leletkezik, amely a lazán kötött adalékoló ionnal sót is képezhet. + NH4+ + NH4+ H N N N N H

  37. Ammónia diffúziója Az ammónia az elképzelés szerint diffúzióval jut be a rétegbe, ott adalékvesztést okoz. A diffúzió sebességét több körülmény is módosítja. Ilyen a felület-térfogat arány. A méretcsökkentéssel ez arányosan nő, ennek megfelelően alakult ki a hordozó.

  38. Polimerréteg előállítása A polianilint lehet elektrokémiai úton, pl. ciklikus voltammetriával előállítani. Ekkor az elektródfelületeken izotróp módon nő a polimer. Ez eredményezi a polimer átnövését az egymáshoz közel fekvő munkaelektródok között.

  39. Hordozó előkészítése A hordozó üveglap, vákuumpárologtatott arany vékonyréteggel. A fémfelületet lézerrel vágható, különálló elektródfelü-letekké alakítható. A polimer átnövése után ellenállást lehet mérni az elektródok között. Két minta: két- és négyvezetékes ellenállás.

  40. Az érzékelési folyamat • Jellemzők • Lassú működés a nagy felület-térfogat-arány ellenére is. • Részben irreverzibilis változás • Hőfok- és páratartalom-függés • Öregedés

  41. Irreverzibilitás • Gázérzékelés után az ellenállás nem mindig éri el a kezdeti értéket. Ennek oka pontosan nem ismert. • Az ammóniumsó disszociációjához szükséges energia lehet túl nagy. • Tartós fizikai változások a gáz hatására. • A végérték becsülhető lehet (DR/R0 korrigálása)

  42. Öregedés • Több elképzelés alakult ki a polimer ellenállásának folyamatos növekedésével kapcsolatban: • A polimer kiszáradása és emiatti zsugorodása • Spontán adalékvesztés • Redukáló gázok jelenléte az atmoszférában • A jelenség korrigálható lehet adatfeldolgozással

  43. Hőmérséklet és páratartalom Mindkét paraméter mérhető. Multiszenzor építhető a páratartalom és hőmérséklet, esetleg más gázok koncentrációjának mérésére. Az adatok korrigálhatók ezek ismeretében, de ehhez igen sok mérés szükséges.

  44. A folyamat gyorsítása I Ugrásszerű ammóniakoncentráció-válto-zás hatására exponenciális telítődő/kiürülő jellegű ellenállásváltozás. Aluláteresztő szűrővel modellezhető a gázérzékelő. Pólusáthelyezés a magasabb frekvencia-tartományba szűrővel.

  45. A folyamat gyorsítása II Hátrány: a differenciálás zajkiemelő tulajdonsága és az időállandók változása.

  46. A folyamat gyorsítása III A mérési pontokhoz multiexponenciális görbe illeszhető, erre néhány táblázat-kezelő program is képes. Az algoritmus alkalmas lehet on-line, vagyis mérés közben történő végérték-becslésre is.

  47. A folyamat gyorsítása IV A szűrővel történő gyorsítás kis számítás-igényű, egyszerűen megvalósítható feladat, de nehezen tehető alkalmassá arra, hogy alkalmazkodjon a változó időállandókhoz. Folyamatközbeni görbeillesztésnél ez nem probléma, de a számításigény igen nagy.

  48. Molekuláris Szilicium helyett Számos kutatócsoport foglalkozik a szilícium-alapú elektronika alternatíváját jelentő molekuláris elektronika kutatásával. Az egyik ilyen összefogás a Moletronics nevet kapta. Szervezője a DARPA, melynek az Internetet is köszönhetjük.

  49. Tour-féle vezeték A hagyományos, áram alapú logikákkal analóg rendszerek vezetékei Polifenilén Polifenilén alapú molekula acetilén távtartókkal

  50. Elektronszerkezet H H H H H H π C C C C pz C C C C C C C C C C C C π C C C C C C C C C C C C

More Related