Th

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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 Eigenschafte
n 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)
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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 Eigens
chaften 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
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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.
Basismaterialien für Transistoren, Aktoren,
Sensoren, Displays, Solarzellen
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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
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Target of the development of polymer electronics
(OLEDs,... OFETs IPCs, ...Solar Cells )
The primary aims of RD 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. OFETs with OLED's

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Intrinsic semiconducting polymers (p or n)
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Doping of semiconducting polymers
-
- e
Electron donor
-
Electron acceptor (J
, SbF
, AsF
)
PPP
e
2
5
5
(e.g.electro chemical)
-
e
Polaron (n-Typ)
Polaron (p-Typ)
-
- e
Electron donor
Electron acceptor
Bipolaron (p-Typ)
Bipolaron (n-Typ)
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Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPCs)
Mikroantriebe
Greifer
Mikroelektronik
für IUK-Technik
für Mikrosystemtechnik
Konstruktions- und Funktionspolymere mit
besonderen elektronischen Eigenschaften
Polymerlaser
Polymerdisplays
TV, Radio
GPS
Gewächshausfolien
Abstandssensoren
Sensoren
Lichtleitkabel
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Feldeffekt-Transistoren (OFETs) aus polymeren
Leitern, Halbleitern
Polymerelektronik
Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPCs)
Mikroantriebe
Greifer
Mikroelektronik
für IUK-Technik
für Mikrosystemtechnik
Konstruktions- und Funktionspolymere mit
besonderen elektronischen Eigenschaften
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Organic Field-Effect Transistors based on
functional polymers
top-gate OFET
bottom-gate OFET
gate
I
SCP
S
D
substrate
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Thin layers in Organic Field Effect
Transistors (OFETs)
gate
Insulator polymer
semiconductor
(hole
conducting
)
Source / drain electrodes
1 mm or less
substrate
100 - 200 µm
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Polymer Electronics - Application Fields
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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
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Zu erzeugende Mikrostrukturen für
Source-Drain-Elektroden von OFETs
0.3 mm lt a lt 3 mm, 1.0 µm lt L lt 50 µm
W n ? a 2.0 mm lt W lt 25
mm W gtgt L W / L gt 500
???20 µm
a
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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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S/D electrodes from a conducting polymer on a
PET foil
C ? 30 µm L ? 8 µm
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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

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Polymerelektronik
Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPCs)
Mikroantriebe
Greifer
Mikroelektronik
für IUK-Technik
Polymersolarzellen
PV Optoelektronik-Elemente aus polymeren
Photoleitern
für Mikrosystemtechnik
Konstruktions- und Funktionspolymere mit
besonderen elektronischen Eigenschaften
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Polymersolarzellen
Polymere Solarzellen Photovoltaik der Zukunft -
flexibel u. preisgünstig-
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Composite polymer solar cells from
Donor-Acceptor-Typ
Aluminium
active layer
ITO, PDOT
substrate (Polyester, glass)
p-conducting polymer and molecular acceptoren
like C60 or nanoparticel from TiO2, CdSe, CdS,
...
p-conducting polymer (h-transport) n-conduct
ing polymer (e- -transport)
Composite from conjugated polymer and C60
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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
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I/U-Kennlinie einer Polymersolarzelle
Strom mA/cm²
FF
Spannung V
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Mögliche Optimierungen
? Isc Voc FF / PIN
Isc - Optimierung der Dicke von
Aktivschicht - Ladungsträgerbewegl
ichkeit - 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
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Potentielle Applikationsfelder
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Polymerelektronik
Integrierte polymerelektron. Schaltkreise (IPCs)
Mikroantriebe
Greifer
Mikroelektronik
für IUK-Technik
Polymeraktoren
für Mikrosystemtechnik
Konstruktions- und Funktionspolymere mit
besonderen elektronischen Eigenschaften
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(No Transcript)
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Zwei unterschiedliche Polymeraktoren
Zusatzmasse 1 g
Aktormasse 65 mg
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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