روش تبخیر حرارتی برای ایجاد لایه نازک از مواد ارگانیک به منظور کاربردهای الکترو اپتیکی
قطعات الکترونیکی ساخته شده بر مبنای لایه نازک از جنس نیمه هادی های ارگانیک (آلی) به دلیل قابلیت انعطاف پذیری و امکان ساخت در مقیاس زیاد با هزینه کم، کاربردهای فراوانی دارند. این نیمه هادی ها امکان ساخت افزاره های الکترونیکی مثل
- OFET (Organic-Field Effect Transistor) و
- OLED (Organic-Light Emitting Diode) و
- OPV (Organic Photovoltaic Cell)
را به عنوان نسل جدید ادوات الکترونیک فراهم می آورند.
مواد ارگانیک چه موادی هستند؟
مولکولهای ارگانیک (آلی) از اتمهای کربن تشکیل شدهاند که قادر به ایجاد پیوندهای کووالانسی قوی تک، دو یا سهگانه با سایر اتمهای کربن یا اتمهایی مانند هیدروژن (H)، اکسیژن (O)، نیتروژن (N) و گوگرد (S) هستند. این ترکیبات معمولاً به عنوان پلیمرها یا مولکولهای کوچک طبقه بندی میشوند و در طبیعت یافت میشوند و یا به طور مصنوعی سنتز میشوند. خواص، واکنش ها و تولید چنین ساختارهایی در علم شیمی آلی مطالعه میشود.
ساختار الکترونی مواد ارگانیک
ویژگیهای الکترونیکی مولکولهای ارگانیک بستگی به اتصالات بین اتمها دارد. موقعیت و ویژگیهای این پیوندهای بین اتمی، نحوه جذب نور و انتقال بار الکتریکی توسط مولکولها را مشخص مینماید. از جمله مهمترین این پیوندها، پیوندهای دوگانه و نحوه پیوستن آنها در داخل مولکولها است، یعنی جایی که الکترونهای اشتراکی قادر به حرکت در بخشی از مولکول هستند.
در مولکولهای غیر هادی مثل پلی اتیلن (که در شکل ۱ نشان داده شده است) هر اتم کربن به ۴ اتم دیگر متصل است و تمام الکترونهایش در پیوندها هستند و نوار هدایت در این ساختار خالی از الکترون است، بنابراین هیچ الکترونی وجود ندارد که بتواند آزادانه حرکت کند. در طرف مقابل پیوندهای اشباع نشده ای هستند که در مواد رسانا وجود دارند. مثلا همانطور که در شکل ۱ ساختار پلی استیلن نشان داده شده است در هر اتم کربن یک الکترون اضافه وجود دارد که در ایجاد هدایت الکتریکی مولکول نقش دارد.
در مولکولهای بزرگ مثل پلیمرها این الکترونها در طول مولکول گسترش مییابند و اتصالات π را تشکیل میدهند. ویژگی رسانا یا نیمه رسانا بودن مولکول به این بستگی دارد که این پیوندها پر یا نیمهپر باشند. پیوند π در مقایسه با پیوندهای سیگما است که موجب استحکام مکانیکی مولکول میشود، ضعیفتر است. بنابراین، انتقالهای π*-π پایینترین برانگیختگیهای الکترونیکی مولکولهای مزدوج با یک اختلاف انرژی در محدوده ۳-۱.۵ الکترون ولت است که منجر به جذب یا گسیل فوتونهای نور در محدوده طیفی مرئی میشود.
ویژگیهای مواد ارگانیک
پیوندها در نیمه هادیهای ارگانیک نسبت به پیوند در همتایان غیر ارگانیک آنها به طور کلی متفاوت است که تاثیر مستقیم روی ویژگیهای آنها دارد. کاهش سختی، نقطه ذوب پایین و کاهش انتقالات بار الکتریکی از ویژگیهای این مواد میباشند. ضریب جذب بالای این مواد موجب میشود تا امکان جذب بالای نور در لایههای نازک از این مواد (کمتر از ۱۰۰ نانومتر) وجود داشته باشد به گونهای که قابلیت تحرک (Mobility) کم آنها را جبران میکند.
ظهور اکسیتونها در مواد ارگانیک
جابجایی الکترونیکی ضعیف نیمههادیهای ارگانیک دو ویژگی برای این مواد ایجاد میکند. اولی وجود حالت های اسپینی تک و سهگانه است که در مواد نارسانا دیده میشود، و دومی شکل گیری اکسیتونها (Exciton) است که ترکیب وابسته به نور یک جفت الکترون و حفره هستند. اکسیتونها، از برخورد نور با یک مولکول فتوولتاییک به وجود میآیند. فوتون فرود آمده موجب تحریک الکترون باند ظرفیت و شکلگیری یک زوج الکترون-حفره میشود. انرژی فوتون ورودی باید برابر یا بیشتر از شکاف باند انرژی ماده مورد برخورد باشد.
مزایای سلولهای فوتوولتاییک بر پایه مواد ارگانیک
لایهنشانی مواد ارگانیک
مواد آلی را میتوان از طریق روشهای مبتنی بر محلول یا تبخیر در خلاء لایهنشانی نمود. با این حال، به دلیل مشکل بودن ایجاد نظم مولکولی دوربرد در فرآیندهای بر پایه محلول مانند لایهنشانی قطرهای، لایه ایجاد شده در این روش در مقایسه با لایهنشانی به روش تبخیر در خلاء قابل تکرار نیست.
لایهنشانی مواد ارگانیک به روش تبخیر حرارتی
لایهنشانی به روش تبخیر حرارتی یک روش کم هزینه و متداول است که برای لایه نشانی مواد ارگانیک استفاده میشود. روش تبخیر حرارتی به عنوان یک روش کارآمد و کم هزینه در ساخت OLED ها در مقیاس زیاد و همچنین ساخت سلولهای خورشیدی ارگانیک استفاده میشود. با توجه به اشکال مختلف مولکولها، کنترل مورفولوژی لایه نازک نشانده شده از مواد آلی بسیار پیچیدهتر از کنترل مواد غیر آلی است. نوع زیرلایه، دمای زیرلایه و نرخ لایهنشانی در فرآیند تبخیر حرارتی مواد آلی باید به دقت کنترل شود.
عوامل موثر بر لایهنشانی
فشار محفظه لایهنشانی
بسیاری از مواد ارگانیک در حضور اکسیژن یا آب دچار تخریب میشوند. در نتیجه برای لایه نشانی این مواد باید محفظه خلاء بالا استفاده شود که کاملا عاری از آب و اکسیژن است. فشار محفظه مناسب برای تبخیر حرارتی مواد ارگانیک نباید بیشتر از ۶-۱۰×۵ میلیبار باشد.
فشار بخار به صورت نمایی به دما و نرخ افزایش دما وابسته است. شکل ۳ رفتار تبخیری ماده Alq3 را که در ساخت OLED ها به کار میرود، نشان میدهد.
منبع تبخیر
علاوه بر رفتار تبخیری مواد مورد استفاده، شار پراکندگی بخار (distribution vapor flux) و ضخامت لایه ها نیز مهم هستند. ایجاد لایههای همگن و یک جهت تنها در صورتی امکان پذیر است که مشخصات ذکر شده کاملا شناخته شده باشند.
شکل منبع تبخیر (مثلا بوته یا بسکت) نیز در تبخیر مناسب مواد ارگانیک و تعیین شار پراکندگی بخار مهم است. معمولا این منابع به صورت بوتههای عمیق هستند. دیوارهای بوته باید به گونهای باشد که از بازتاب حرارت جلوگیری کند تا دمای داخل بوته یکنواختتر باشد. جنس بوته باید از مواد با هدایت گرمایی بالا باشد تا یکنواختی دمای داخل بوته حفظ شود و از تجزیه مواد ارگانیک به علت گرادیان دمایی داخل بوته جلوگیری شود. مواد استفاده شده برای ساخت این بوتهها معمولا اکسید آلومینیوم یا نیترید بور است.
کنترل دما
اتصالات بین اتمی در مواد ارگانیک ضعیفتر از مواد غیر ارگانیک است. بنابراین اعمال انرژی حرارتی پیوندهای بیشتری را در مواد ارگانیک میشکند. دمای تبخیر مواد ارگانیک غالبا کمتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد است. فرایند لایهنشانی مواد ارگانیک به روش تبخیر حرارتی به منظور جلوگیری از تجزیه ماده ارگانیک، نیازمند کنترل دقیق دمای فرایند است. با توجه به اشکال مختلف مولکولها، کنترل مورفولوژی لایه نازک ایجاد شده از مواد ارگانیک بسیار پیچیدهتر از کنترل مواد غیر ارگانیک است. نوع زیرلایه، دمای زیرلایه و نرخ لایهنشانی در فرآیند تبخیر حرارتی مواد ارگانیک باید به دقت کنترل شود.
به کار بردن حسگرهای حرارتی برای کنترل دقیق دمای منبع تبخیر (بوته) و زیرلایه در لایه نشانی در خلاء مواد ارگانیک امری ضروری است. اگرچه کنترل دمایی مستقیم در فرایند لایه نشانی مواد غیر ارگانیک به روش تبخیر حرارتی نیاز نیست، این امر از ملزومات لایه نشانی مواد ارگانیک می باشد.
فرآیند تبخیر حرارتی مواد ارگانیک
فرایند لایهنشانی مواد ارگانیک به روش تبخیر حرارتی به این صورت است که در ابتدا و پس از رسیدن به فشار مناسب، دمای مواد تبخیر شونده از دمای محیط به دمای آماده به کار (Stand by temperature) که کمتر از دمای آستانه تبخیر است، رسانده میشود. این افزایش دما باید تا حد امکان در نرخ پایینی انجام شود. افزایش دما با شیب تند موجب ایجاد عدم یکنواختی دمایی در داخل بوته میشود که امکان دارد موجب تجزیه ماده ارگانیک شود.
بعد از گذشت مدت زمانی اندک که بوته در دمای آماده به کار نگه داشته میشود، دما با نرخ متوسطی به دمای تبخیر افزایش داده میشود. و بلافاصله پس از اتمام فرایند تبخیر حرارتی، مجددا دما به دمای آماده به کار باز میگردد. شکل ۵ نمودار افزایش دمای ماده Alq3 را نشان میدهد.
دستگاههای مبتنی بر مواد ارگانیک
مواد آلی به دلیل وزن سبک، انعطافپذیری و هزینه ساخت پایین، جایگزین مناسبی برای نیمهرساناهای معدنی در کاربردهای مختلف هستند. دستگاههای فتوولتائیک آلی (OPV)، دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED) و ترانزیستورهای اثر میدان آلی (OFET) دستگاه های الکترونیکی و نوری-الکترونیکی بر اساس مواد آلی هستند که امروزه به طور گسترده مورد مطالعه قرار میگیرند. این ادوات بر پایه مواد ارگانیک گزینه بالقوه ای برای استفاده در حوزه اینترنت اشیا (IoT) هستند.
ساخت دستگاههای بر پایه مواد ارگانیک
الکترودهای سورس/ درین/ گیت یا کاتد مورد استفاده در دستگاههای اپتوالکترونیکی باید لایههای نازک رسانای الکتریکی باشند، بنابراین یکی از مراحل اصلی در ساخت دستگاههای مواد ارگانیک، لایهنشانی الکترود است. لایهنشانی اتصالات الکتریکی را میتوان با روشهای مختلف لایهنشانی بخار فیزیکی از جمله تبخیر حرارتی، تبخیر پرتو الکترونی و لایهنشانی کندوپاشی انجام داد.
سیستمهای پوششدهی خلاء شرکت پوششهای نانوساختار
شرکت پوششهای نانوساختار سیستمهای لایهنشانی در خلاء متنوعی را برای ساخت اتصالات الکتریکی با استفاده از تکنیکهای تبخیر حرارتی و کندوپاش ارائه میدهد. اپراتورهای حرارتی خلاء بالا با یک محفظه کوچک (۱۷۰ میلیمتر قطر و ۱۴۰ میلیمتر ارتفاع) به نام DTE، یا یک محفظه بزرگ (۳۰۰ میلیمتر قطر و حداکثر ۴۰۰ میلیمتر ارتفاع) به نام DTT طراحی شدهاند تا ایجاد لایههای نازک را بر روی زیرلایههایی با اندازههای مختلف تسهیل کنند. شرکت پوششهای نانوساختار اسپاترکوترهای خلاء پایین و خلاء بالا (DSR1 و DST1) را نیز ارائه میدهد. محصولات شرکت پوششهای نانوساختار قابلیت لایهنشانی اتصالات الکتریکی ادوات ارگانیک با کنترل دقیق ضخامت از طریق سنسور ضخامت QCM را دارا هستند.
برخی محصولات لایه نشانی
برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه به منابع زیر مراجعه نمایید.
منابع
- Deposition of Functional Organic Thin Layers by Means of Vacuum Evaporation, Jens Drechsel, Hartmut Fröb, 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
- Kovacik, Peter. Vacuum deposition of organic molecules for photovoltaic applications. Diss. Oxford University, UK, 2012. http://www-solar.materials.ox.ac.uk/uploads/images/theses/Peter%20Kovacik,%20DPhil%20Thesis.pdf
- Comparison of organic solar cells and inorganic solar cells, Askari Mohammad Bagher, Department of Physics, Payame Noor University, PO Box 19395-3697 Tehran, Iran.
- Mitzi, David B. “Thin-film deposition of organic−inorganic hybrid materials.” Chemistry of Materials 13.10 (2001): 3283-3298.
- Klauk, H. (2006). Organic Electronics: Materials, Manufacturing and Applications. WILEY-VCH GmbH, 2, 1325-1331.
- Brütting, Wolfgang. “Introduction to the physics of organic semiconductors.” Physics of organic semiconductors (2005): 1-14.
- Shirota, Yasuhiko, and Hiroshi Kageyama. “Organic materials for optoelectronic applications: Overview.” Handbook of Organic Materials for Electronic and Photonic Devices (2019): 3-42.
- https://orgosolver.com/chapters/chapter-1/structure-and-bonding-of-organic-molecules