Tranzistor cu efect de camp organic flexibil si nanostructurat pentru detectie UV-VIS


Project Director: Dr. Anca STANCULESCU

Cod Proiect:  PN-III-P2-2.1-PED-2021-3165 

Director de Proiect: Dr. Anca Stanculescu

Tipul Proiectului: National

Programul de incadrare al Proiectului: Program 2: Cresterea competitivitatii eco0nomiei romanesti prin cercetare, dezvoltare si inovare; Subprogramul 2.1: Competitivcitate prin cercetare, dezvoltare si inovare; Tip proiect: Proiect experimental demonstrativ (PED)

Finantat de: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

Contractor: Institutul National de Cercetare Dezvoltare  pentru Fizica Materialelor

Status: In desfasurare

Data Inceperii: 30.06.2022

Data Finalizarii: 30.06.2024

Rezumat

Fototranzistorii organici sunt traductori optici care au la baza tranzistori cu efect de camp organici (OFETs) caracterizati printr-o buna absorbtie intr-un domeniu specific si eficienta ridicata in generarea fotocurentului, avand multe aplicatii industriale, militare, in protectia mediului si biologice

Scopul proiectului este obtinerea unor structuri de OFET pe substrat flexibil avand proprietati imbunatatite, sensibile la iluminare UV-VIS, evitand folosirea unor materiale scumpe, limitate ca resurse (indiu). In cadrul proiectului sunt dezvoltate idei originale privind straturile active pentru OFETs din noi oligomeri/polimeri pe baza de derivati arilaminici; canalul tranzistorului tip heterojunctiune de volum (BHJ), strat mixt din donorii mentionati si acceptori non-fulerenici din derivati perilendiimidici; electrod poarta transparent fara indiu format din ZnO dopat cu Al; modificarea suprafetelor/interfetelor  prin nanostructurare.

Pentru a asigura cresterea de la TRL 2 (conceptul de OFET sensibil la radiatia UV-VIS) la TRL 3 (demonstrator experimental de OFET flexibil, ambipolar cu parametrii electrici la intuneric si raspunsul la iluminare reproductibili) sunt propuse urmatoarele obiective: 1. Prepararea straturilor active din noi compusi organici si a electrodului poarta transparent pentru structuri OFET; 2. Realizarea de structuri noi de OFET flexibil, nanostructurat sensibil la radiatia UV-VIS.

Rezultatele experimentale preliminare si expertiza privind sinteza compusilor (ICMPP/P1), conductorii transparenti (INFLPR/P2) straturile subtiri organice (INCDFM/CO+P2) si nanostructurarea (CO), strategia de cercetare si infrastructura partenerilor sustin fezabilitatea proiectului. CO se va ocupa de realizarea structurilor OFET si caracterizarea lor la intuneric si iluminare, P1 de sinteza, purificarea si caracterizarea preliminara a noilor compusilor pentru materialul canalului si P2 de depunerea stratului conductor transparent si a stratului mixt (BHJ).

Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM)-CO

Dr. Anca Stanculescu-Director proiect

Dr. Nicoleta Preda-cercetator stiintific 1

Dr. Marcela Socol-cercetator stiintific 1

Dr. Oana Rasoga-Cercetator stiintific 2

Dr. Carmen Breazu-Cercetator stiintific 3

Dr. Paul Ganea-cercetator stiintific 3

Gabriela Petre -Doctorand

Institutul de Chimie Macromoleculara "Petru Poni" (ICMPP)-P1

Dr. Andrei Honciuc-Responsabil partener

Dr. Ana-Maria Solonaru-cercetator stiintific

Dr. Oana-Iulia Negru-asistent cercetare

Institutul National de cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si radiatiei (INFLPR)-P2

Dr. Gabriel Socol- Responsabil partener

Dr. Gianina Popescu-Pelin-cercetator stiintific 3

Andreea Mihailescu-asistent cercetare, doctorand

Andrei Stochioiu-doctorand

Ion Tudor-tehnician

Etapa 1: Prepararea stratului activ pentru canalul structurii OFET din noi compusi organici si a electrodului poarta

In cadrul acestei etape au fost sintetizati si caracterizati preliminar compuși organici (donori si acceptori) care vor fi utilizati in etapele urmatoare in realizarea materialului activ al canalului structurii de tranzistor cu efect de camp organic (OFET). Perilendiimidele au fost propuse ca aceptori deoarece au o mare afinitate pentru electroni, un coeficient de absorpţie a luminii mare si proprietăţi de transport bune. Prin funcţionalizarea, in diferite pozitii, cu grupări alchil sau aril la atomii de azot, este imbunatatita solubilitatea in solventi obisnuiti, este impiedicata agregarea si favorizata obtinerea unor straturi subtiri de o calitate buna pentru aplicatii electronice (OFET).

S-a evidentiat pentru compusul acceptor selectat, care contine gruparea substituenta alchil, o buna absorbtie in vizibil si o pozitie a nivelelor HOMO si LUMO favorabila unui transport al purtatorilor care nu este limitat de fenomenul de "trapping".  De asemenea au fost sintetizati doi monomeri arilenvinilenici si monomeri intermediari pentru obtinerea polimerilor cu structura arilenvinilenică şi/sau arilenetinilenică continand 2,7-dibrom N-(2-etil hexil) carbazol. Acesti compusi prezentand o absorbtie extinsa si un bun transport al purtatorilor vor fi utilizati ca donori.

Straturi din oxizi conductori transparenti/TCO (Al:ZnO/AZO, In:ZnO/IZO 90) au fost depuse prin PLD pe diferite tipuri de substraturi flexibile: PES 0,25 mm, PES 0,5 mm, PET amorf, PET biaxial orientat si sticla flexibila. Coreland proprietatile morfologice (depunere uniforma) cu cele de transmisie (>90 %) si rezistenta de suprafata  (~5x102 ohm/□ ), substraturile din PES  0,5 mm si PES 0,25 mm pot fi selectate pentru depunerea stratului conductor transparent din AZO si IZO90.

Au fost depuse straturi unicomponent (donor, acceptor) si mixte donor (monomer arilenvinilenic) : acceptor (derivat al perilendiimidei), pe substraturile mentionate, folosind evaporarea si depunerea in vid. Analiza FTIR a confirmat obtinerea straturilor mixte continand ambele componente si consevarea structurii chimice a donorului si acceptorului, in timpul depunerii. Analiza optica a evidentiat ca, in principiu, toate tipurile de substrat pot fi utilizate pentru depunerea straturilor organice care prezinta absorbtii atat in UV cat si in vizibil, cu exceptia substratului de PES 0,25 mm care taie semnalul pentru lungimi de unda <400 nm. Considerand pierderile prin mecanisme de relaxare radiativa, a rezultat ca cele mai potrivite substraturi pentru depunerea de straturi organice simple si mixte din compusii mentionati, pentru aplicatii in Vis sunt PET amorf, PET biaxial si sticla flexibila, iar pentru aplicatii in UV este sticla flexibila. Coreland rezultatele de transmisie si fotoluminescenta, substratul din PES 0,25 mm nu poate fi utilizat in domeniul UV. Tinand cont atat de morfologia stratului (rugozitate mica care reduce imprastierea) cat si de proprietatile optice, sticla flexibila este o optiune buna de substrat pentru depunerea straturilor organice mixte. Proprietatile dielectrice ale stratului organic nu sunt semnificativ afectate de tipul de substrat, deci ele nu au un rol critic in selectarea acestuia. Considerand proprietatile electrice ale straturilor TCO  si ale stratului organic, PES 0,5 mm si PES 0,25 mm sunt substraturi potrivite pentru depunere.  Alegerea substratului pentru realizarea structurii OFET este un proces care necesita luarea in considerare a mai multor factori cum ar fi: tipul si proprietatile stratului conductor transparent, compozitia si proprietatile stratului mixt. Substratul acoperit de conductorul transparent (poarta in structura de OFET) trebuie sa fie transparent in UV si/sau vizibil pentru ca radiatia sa ajunga la stratul activ, iar stratul organic trebuie sa absoarba radiatia UV si/sau din vizibil care va fi implicata in generarea purtatorilor de sarcina.

In concluzie obiectivele fazei au fost atinse: au fost sintetizati si caracterizati compusi acceptori si donori, depuse straturi conductoare transparente si organice pe substrat flexibil. Straturile au fost caracterizate din punct de vedere morphologic, optic, electric, dielectric in vederea selectarii, in corelatie cu tipul de substrat. Heterostructura cu stratul organic mixt (monomer arilenvinilenic: perilendiimida) depus pe AZO flexibil a prezentat cele mai bune proprietati de transport.

1 lucrare comunicata: “7th European Congress on Advanced Nanotechnology and Nanomaterials WebinarNovember 14th- 15th, 2022, Rome, Italy.

Titlu: "Organic heterostructure with dendrimer:non-fullerene mixed layer for electronic applications"

Autori: C. Breazu1, A. Lutgarde Djoumessi Yonkeu2, O. Rasoga1, M. Socol1, N. Preda1, G. Petre1,3,F. Stanculescu3, A. Stanculescu1, E. Iwouha2

1National Institute of Materials Physics, Atomistilor 405A, 077125, Magurele, Romania, 2University of Western Cape, Department of Chemistry, SensoLab, Robert Sobukwe Road, P. Bag X17, Bellville 7535, Cape Town, South Africa3, University of Bucharest, Faculty of Physics, 405 Atomistilor Street, P.O. Box MG-11, Bucharest-Magurele, 077125 Romania, 4Laboratoire LPHIA, Université d’Angers, LUNAM 2, Bd. Lavoisier 49045, Angers, France

 

1 lucrare acceptata spre publicare in revista Nanomaterials

Titlu: "Effect of Aluminum nanostructured electrode on the properties of bulk heterojunctions based heterostructures for electronics"

Autori: Oana Rasoga1, Carmen Breazu1, Marcela Socol1, Ana-Maria Solonaru2, Loredana Vacareanu2, Gabriela Petre1,3, Nicoleta Preda1, Florin Stanculescu3, Gabriel Socol4, Mihaela Girtan5, Anca Stanculescu1

1National Institute of Materials Physics, 405A Atomistilor Street, P.O. Box MG-7Magurele, 077125 Romania; 2P. Poni Institute of Macromolecular Chemistry, 41 A Gr. Ghica Voda Alley, 700487, Iasi, Romania; 3University of Bucharest, Faculty of Physics, 405 Atomistilor Street, P.O. Box MG-11, Magurele, 077125 Romania; 44National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Str. Atomistilor, Nr. 409, PO Box MG-36, Bucharest, 077125, Romania; 5Laboratoire LPHIA, Université d’Angers, LUNAM, 2 Bd. Lavoisier 49045, Angers, France

Anca Stanculescu (sanca@infim.ro)


PROJECTS/ NATIONAL PROJECTS


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved