Flexible electronics

5 min

Fundamentele studie brengt potentieel van organische halfgeleiders naar boven

Een beter begrip van de kristallisatie in dunne lagen leidt tot betere elektronica

Scroll

Dunne lagen met organische halfgeleiders zijn in theorie zeer geschikt om goedkope elektronica met een goeie performantie te maken. Maar een van de obstakels waar ingenieurs tegenaan lopen, is de moeilijkheid om zo’n dunne lagen te maken op een manier dat de moleculen netjes geordend zijn. Dus met grote monokristallijne domeinen waarin de ladingen ongehinderd kunnen bewegen. In een doorbraakstudie gefinancierd door een prestigieuze ERC-beurs tonen Paul Heremans (imec fellow en directeur van imecs departement voor dunnefilm-elektronica ) en zijn collega’s hoe kristallen zich precies vormen in organische halfgeleiders. Met die kennis hebben ze nieuwe schaalbare technieken ontwikkeld om uiterst goed geordende dunne organische lagen te vormen. En ze hebben methodes bedacht om bovenop die films elektronische componenten te maken, zoals organische dunnefilm-transistoren, organische zonnecellen en organische LEDs.  

Onbenut potentieel – een oproep voor fundamenteel onderzoek

Organische halfgeleiders verschillen radicaal van hun conventionele tegenhangers. Door hun moleculaire structuur kunnen ze op een unieke manier aan de toepassingen aangepast worden. Bovendien hebben ze ook intrigerende optische mogelijkheden. Dankzij dat laatste – hun uitstekende eigenschappen om licht op te vangen en uit te sturen – worden ze nu al gebruikt in bv. de laatste generaties smartphones en OLED-schermen.

Maar er is nog een grote kloof tussen de prestaties van de organische transistoren die vandaag gemaakt worden, en wat theoretisch mogelijk is. Die prestaties hangen voor een groot stuk af van de snelheid waarmee de ladingen kunnen bewegen in de dunne organische lagen waarop de transistoren zijn gemaakt. Door de manier waarop die lagen nu worden gedeponeerd zijn ze zeer ongeordend: amorf of met kleine kristallen die typisch niet groter zijn dan een micron. Het resultaat zijn polykristallijne lagen met een dicht patroon van grillige grenzen tussen de kleine kristallijne domeinen. En die grenzen hinderen het transport van ladingen en kunnen zorgen voor een grote variabiliteit in de transistoren die bovenop die lagen worden gemaakt .

Die wanorde en de daaruit volgende ondermaatse prestaties worden in hoofdzaak veroorzaakt door de manier waarop de dunne lagen worden gemaakt, en niet door de eigenschappen van de moleculen zelf. Dat is al uitgebreid aangetoond in het lab, met speciaal gevormde lagen die uit een enkel kristal bestaan en die veel betere eigenschappen hebben dan alles wat met de huidige dunnefilm-technologie kan worden gefabriceerd. Om die technologie te verbeteren moeten we dus kijken naar hoe de lagen worden gemaakt.

Dat was drie jaar geleden dan ook het uitgangspunt van het fundamentele onderzoeksproject "Epos Crystalli" van Paul Heremans en zijn team. Het hoofddoel was om een beter inzicht te krijgen in de kristallisatie van organische halfgeleiders en hoe dit kon worden vertaald in betere technieken om dunne organische films te maken. De onderzoekers waren in het bijzonder geïnteresseerd in schaalbare technieken om betere elektronica te maken, in het bijzonder optische actieve transistoren. 

Daarvoor volgden ze drie met elkaar verweven paden: het verbeteren van de groei van zeer geordende organische lagen op substraten; het modelleren van de groei en elektrische eigenschappen van die monokristallijne lagen op het niveau van de moleculen; en het maken van betere elektronische componenten bovenop die lagen.

Een beter begrip leidt tot betere elektronica

Na drie jaar onderzoek en talloze publicaties en presentaties op conferenties werd het "Epos Crystalli"-project onlangs succesvol afgesloten. Er liggen nu een groot aantal hoopgevende resultaten voor die verder kunnen worden vertaald in praktische technieken en leidraden voor industriële processen. Hier zijn een aantal hoogtepunten in vier verschillende technieken of platformen die werden bestudeerd:

Een eerste resultaat betreft de uitdaging om uiterst kleine transistoren te processen, elk op een enkel organisch kristal. Daarvoor keken de onderzoekers naar het vacuüm opdampen van kleine moleculen op inerte substraten met behulp van een masker met daarin openingen van enkele micrometer. Door de kristalkiemvorming nauwkeurig op te volgen konden de onderzoekers op die manier arrays van kleine monokristallijne velden creëren. In een tweede stap en met zeer precies gepositioneerde maskers konden ze dan bovenop die kristallen metalen elektrodes aanbrengen. Zo bekwamen ze uiteindelijk monokristallijne dunnefilm-transistoren van enkele micrometer met een ladingsdrager-mobiliteit boven de 12 cm2/Vs. 

Naast de kleine kristallen bestudeerden de wetenschappers ook hoe ze grotere monokristallijne films konden groeien, patroneren en uiteindelijk ook integreren. Voor de groei experimenteerden ze met een trage coatingtechniek die een template vormt met centimeterlange monokristallijne korrels, gevolgd door epitaxiaal hergroeien van dezelfde molecule door vacuüm opdampen. Die innovatieve werkwijze levert lagen op met een ladingsdrager-mobiliteit boven de 10 cm2/Vs. Maar de contactweerstand vormt een belangrijke hinderpaal om bovenop die laag performante transistoren te processen. Om dat toch mogelijk te maken bestudeerden de projectmedewerkers nieuwe doping- en rijpingsmethodes. Daarmee werden bijvoorbeeld geïntegreerde devices gemaakt met een kanaallengte van 5 µm, waaronder ook ringoscillatoren. 

Het project keek ook naar de fabricatie van zeer kristallijne zonnecellen. De onderzoekers ontwikkelden daarvoor een nieuwe thermische behandelingswijze om een amorfe dunne film te verdampen en opnieuw te kristalliseren. Die laag werd dan gebruikt als een template waarboven een dikkere homo-epitaxiale film werd gegroeid. Zonnecellen gebaseerd op een dergelijke laag tonen een verhoogde efficiëntie dankzij de lange diffusielengtes (> 200 nm) die zelfs in zeer dikke films werden behaald. Het project keek ook naar het gebruik van een kristallijne donorlaag als template voor de groei van organische acceptorlagen, waarbij de kristallijne structuur doorheen de volledige cel werd doorgetrokken. Daarmee werd een nieuw type zonnecel gemaakt: een fullereen-vrije planaire heterojunctie gebaseerd op een unieke drielaags-architectuur. In die innovatieve architectuur zijn er drie complementaire absorbers die bijdragen aan de elektrische stroom, wat resulteert in een zonnecel met een efficiëntie van 8,4%.

Tenslotte bestudeerden de onderzoekers ook organische lichtgevende transistoren (LEDs), waarbij ze een device creëerden gebaseerd op een innovatieve architectuur met een tweelaags-poort. Deze maakt gebruik van gepatroneerde kristallijne lagen die onafhankelijk van elkaar de elektronen en gaten leiden naar de recombinatiezone waar het licht wordt uitgestuurd. Het resultaat is helder licht en een record voor de externe quantumefficiëntie van 14,2%. Door deze uitstekende resultaten is deze lichtgevende transistor een belangrijke stap de weg naar dunnefilm-lichtbronnen met een hoge helderheid. 

Een succesvol onderzoek met een brede impact

Het “Epos Crystalli”-project werd opgezet als een fundamentele onderzoeksinspanning, een brede en multidisciplinaire oefening met de bedoeling om doorbraken te bewerkstelligen in het domein van de dunnefilm-elektronica. Daarvoor werken toponderzoekers van imec en andere instituten samen op een gebied dat ging van materiaalonderzoek tot transistor-engineering. Door een aantal presentaties en papers in toonaangevende publicaties had het project al een impact terwijl het nog lopende was. De finale resultaten zullen nu verder gebruikt worden in nieuwe technieken die de dunnefilm-elektronica zullen voortstuwen.

Epos Crystalli is een project dat werd gefinancierd door een Advanced Grant toegekend aan Prof. Paul Heremans door de European Research Council (ERC) in het kader van het 7de kaderprogramma van de Europese unie (FP7/2007-2013) / ERC overeenkomst n°320680 (EPOS CRYSTALLI).

 

Meer weten?

Biografie Paul Heremans

Paul Heremans is imec fellow en professor aan het departement ingenieurswetenschappen van de KU Leuven. Hij is directeur van imecs dunnefilm-elektronica departement, een onderzoeksactiviteit die hij in 1998 opstartte. Paul behaalde zijn doctoraat in de ingenieurswetenschappen aan de KU Leuven in 1990. Zijn onderzoeksinteresses omvatten onder meer AMOLED-beeldschermen, dunnefilm- en flexibele beeldsensoren, dunnefilm-circuits zoals NFCs, en ultrasound transducers. 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies