الکترونیک پلیمری: بودن یا نبودن؟
درک این موضوع که پلیمرها را می‌توان به‌عنوان ماده فعال در برنامه‌های کاربردی اپتوالکترونیک به‌منظور تلاش در جامعه علمی برای کاوش مواد جدید استفاده کرد. پلیمرها موادی قوی، منعطف، سبک وزن هستند که قابلیت تولید انبوه را دارند. علاوه براین، آنها را می‌توان در دماهای پایین، معمولاً زیر 150 درجه سانتیگراد، پردازش کرده و زمینه را برای استفاده از طیف وسیعی از پلاستیک‌ها، به جای شیشه، ایجاد کرد. بسیاری از پلیمرها در حلال‌های آلی محلول هستند و "جوهرهای" فعال الکترونیکی را تولید می‌کنند که پردازش اجزای الکترونیکی پردازش شده را به‌عنوان دیودهای ساطع کننده نور و ترانزیستورها امکان پذیر می‌کند. نمایشگرهای جوهرافشان، تگ‌های شناسایی فرکانس رادیویی غیرتماسی و سنسورها نمونه هایی از محصولات نوآورانه جدید ساخته شده از پلیمرهای نیمه رسانا هستند. با این حال، تحقق نمایشگرهای پلیمری به راندمان نسبتا پایین دیودهای پلیمری ساطع کننده نور محدود است. مشکل اساسی برای این کار عدم درک لایه‌های محلول، برداشت ناکافی اکسیتون‌های سه‌گانه و وجود نقص هستند. مدارهای چاپی ترانزیستورهای آلی هنوز به دلیل مشکلات پایداری و تحرک حامل بار نسبتا پایین نیمه هادی‌های آلی با مشکل مواجه‌اند. اخیراً، ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی به‌عنوان بیوسنسور استفاده شده‌اند. در اینجا، به بحث درمورد اصول و پیشرفت اخیر دستگاه‌های پلیمری ساطع کننده نور و ترانزیستورها می‌پردازیم.
شیراکاوا، مک دایارمید و هیگر در سال 1977 رشد چشمگیری در رسانش الکتریکی پلی استیلن پلیمر نیمه هادی ها با دوپینگ آن با یون های هالوژن یا با پنتافلوراید آرسنیک (AsF₅) گزارش کردند. این دانشمندان با کشف و توسعه پلیمرهای رسانا برنده جایزه نوبل شیمی در سال 2000 شدند. پس از این پیشرفت، پلیمرهای مزدوج به دلیل خواص مکانیکی و نوری، و تولید کم هزینه با استفاده از تکنیک چاپ به محبوبیت قابل ملاحظه‌ای در دستگاه‌های الکترونیک نوری رسیدند. به‌ویژه اینکه، اختراع دیود پلیمری ساطع کننده نور (PLED) دستگاه‌های پلیمر را تقویت کرد. ابتدا، بر اجرای نمایشگرهای چاپی پلیمری (جوهرافشان) و مدارهای یکپارچه در تگ‌های شناسایی فرکانس رادیویی متمرکز بود. چند سال بعد، پلیمرهای نیمه رسانا به عنوان لایه فعال در سلول‌های خورشیدی آلی مورد توجه قرار گرفتند. اخیراً از نیمه هادی‌های پلیمری نیز در دستگاه‌های حسگر استفاده می‌شود. با این حال، تا به امروز، فقط دستگاه‌های اپتوالکترونیک ساخته شده از مولکول‌های کوچک به صورت تجاری در دسترس هستند. این مواد معمولاً در خلاء رسوب شدند که امکان رسوب چند لایه آلی بر روی هم را فراهم می‌کند. در نمایشگرهای OLED تجاری از معماری دستگاه چندلایه پیچیده برای انتقال شارژ متعادل و محدود کردن حامل‌های شارژ در لایه انتشار استفاده شده است. برای تقویت بیشتر عملکرد مواد جدید مانند ساطع کننده‌های نور فسفرسنت و فلورسانس تاخیری حرارتی (TADF) برای برداشت اکسیتون‌های سه‌گانه توسعه داده شده اند. علاوه براین، معماری‌های دستگاه جدید مانند نوع p-i-n برای کاهش ولتاژ OLED ها متکی بر لایه‌های تزریق و انتقال بار دوپ شده هستند. پی بردن به این چندلایه پیچیده با نیمه هادی‌های پردازش شده در محلول به عنوان پلیمرهای مزدوج بسیار دشوار است. حلال مورد استفاده برای رسوب لایه بعدی ممکن است لایه زیرین را دوباره حل کند. تحقق چند لایه و برداشت کارآمد اکسیتون‌های سه‌گانه به شدت عملکرد PLED های نسل اولیه را محدود کرد. با این حال، باوجود عملکرد پایین خودِ دستگاه، خواص پلیمرهای مزدوج مانند انعطاف پذیری، وزن سبک، کم بودن هزینه ساخت و زیست سازگاری مورد توجه هستند. برای بهره بردن از این ویژگی‌های مفید در دستگاه‌های اپتوالکترونیکی آینده به درک بیشتری از خواص و محدودیت‌های اساسی عملکرد آنها نیاز است. در بخش‌های بعدی این مقاله به بحث درمورد مبانی و پیشرفت اخیر دستگاه‌های ساطع کننده نور پلیمری و ترانزیستورها می‌پردازیم.
PLED ها
PLED ها در ساده‌ترین شکل خود از یک توده عمودی تشکیل شده‌اند که در آن لایه تابشی بین دو الکترود ساندویچ می‌شود. همانطور که در شکل زیر به صورت شماتیک نشان داده شده است، عملکرد PLED به سه فاکتور تزریق شارژ (بار)، حمل بار و نوترکیب متکی است.
شکل 1:
الکترون‌ها و حفره‌ها به دلیل میدان الکتریکی اعمال شده، الکترون‌ها و حفره‌ها به الکترود متقابل رانش خواهند داشت. اگر فاصله بین یک حفره و یک الکترون کم باشد، آنها توسط تعامل کولن برای تشکیل یک اکسیتون جذب خواهند شد و یک حالت برانگیختگی محدود بین حفره و الکترون ایجاد می‌شود. پس از آن، اکسایتون با انتشار فوتون به صورت تشعشعی تجزیه شده و به حالت پایه خود می‌رسد. برای ارزیابی عملکرد PLED ها، از بازده کوانتومی خارجی (EQE) استفاده شد که به‌عنوان نسبت بین تعداد فوتون‌های ساطع شده در جهت بیننده و مقدار حامل‌های تزریق شده تعریف می‌شود. نسل‌های اولیه PLED ها بر اساس ساطع کننده‌های فلورسنت ساخته شدند؛ به این معنی که تنها 25 درصد از اکسیتون‌های تشکیل شده در خروجی نور PLED نقش دارند. از آنجا که این انتقال نوری ممنوع و محدود است، 75 درصد باقیمانده اکسایتون‌های سه‌گانه هستند که به‌صورت غیر تشعشعی تجزیه شده و به حالت پایه برگشتند. علاوه براین، از آنجایی که ضریب شکست نیمه هادی‌های آلی (1.8-1.7) بالاتر از ضریب شکست شیشه (1.5 درصد) و هوا (1.0) است، معمولاً حدود 80 درصد از 25 درصد اکسیتون‌های منفرد تابشی در ساختار PLED به دلیل بازتاب‌های داخلی به دام افتاده اند که به اصطلاح اتلاف برون‌پیوندی گفته می‌شود.
نتیجه گیری
در طول سه دهه گذشته، پلیمرهای نیمه رسانا کاربرد گسترده‌ای در دستگاه‌های الکترونیکی همچون دیودهای ساطع کننده نور، سلول‌های فتوولتائیک، ترانزیستورهای اثر میدانی و حسگرها داشته‌اند. خواص انتقال بار حفره‌ها و الکترون‌ها نقش مهمی در عملکرد بهینه دستگاه دارد. انتقال الکترون در پلیمرهای نیمه رسانای معمولی اغلب به دلیل ترپینگ کمتر از انتقال حفره است. به نظر می‌رسد عمق تله الکترونی مستقیماً با میل ترکیبی الکترونی پلیمر مرتبط باشد که نشان می‌دهد پلیمرها توزیع تله مشترک مربوط به کمپلکس‌های آب/اکسیژن را بر عهده دارند. اولین قدم در انتقال متعادل و بدون تله دستگاه‌ها، رقیق سازی انتقال و سایت‌های تله یک نیمه هادی است که منجر به دو برابر شدن عملکرد PLED می شود. علاوه براین، اخیراً یک پنجره انرژی برای انتقال الکترون و حفره بدون تله اختراع شده است که به‌عنوان قانونی برای طراحی نیمه هادی‌های پلیمری در آینده عمل می‌کند. باوجود فلورسانس تاخیری حرارتی مشخص شد که LED های آلی نیز متکی بر یک لایه فعال منفرد هستند که نشان دهنده عملکرد بالا و باز کردن مسیری به سمت چاپ مناسب LED های پلیمری است. با توجه به ترانزیستورهای پلیمری، پیشرفت زیادی در تنش بایاس حتی در محیط امبینت گزارش شده است. علاوه براین، اخیراً پلیمرهای رسانا به دلیل توانایی در هدایت حامل‌های یونی و الکترونیکی که آنها را قادر می‌سازد در الکترولیت‌ها همانند محیط بیولوژیکی عمل کنند، به‌عنوان جایگزینی برای محاسبات بیوسنسینگ و نورومورفیک ظاهر شدند. اکنون چالش باقیمانده حذف کامل اثرات باقیمانده از نواقص خارجی است؛ برای مثال، استفاده از اکسیژن و آب به منظور بهره‌برداری از خواص ذاتی پلیمرهای نیمه رسانا.
