Revista >> Mai 2017 [Nr.194] >> Cercetare & Invatamant superior

Primii paşi în electronica transparentă şi flexibilă la INCDTIM Cluj-Napoca

Daniel Marconi, Departamentul de Fizica Moleculara si Biomoleculara, INCDTIM Cluj-Napoca

25 Mai 2017

• Metodă optimizată pentru obţinerea dispozitivelor hibride organic-anorganic transparente şi flexibile

Electronica transparentă, numită şi electronică invizibilă, este o ramură a microelectronicii în plină dezvoltare care foloseşte materiale transparente pentru realizarea circuitelor electronice invizibile și a dispozitivelor opto-electronice. În ultimii 10 ani, tehnologiile legate de electronica flexibilă s-au dezvoltat rapid, multe ajungând în etapa de comercializare datorită potențialului aplicativ imens din domeniu, de la ambalajele inteligente la monitoarele de sănătate care pot fi purtate de pacienţi.

Din punct de vedere istoric, electronica transparentă a fost dominată de oxizi conductori transparenti (TCO) datorită utilizării lor pe scară largă în acoperiri antistatice, panouri de afișaj tactil, celule solare, ecrane plate, încălzitoare, dispozitive antigivraj, ferestre inteligente și acoperiri optice. Toate aceste aplicații folosesc oxizi transparenți conductori electrici. Cu toate avantajele TCO, se conturează în prezent o tendinţă clară pentru a dezvolta noi materiale active pentru electronica transparentă, care să fie mai eficient cuplate cu cerinţa de flexibilitate a dispozitivului dorit. Ținând cont de potențialul de aplicabilitate practică al dispozitivelor transparente si flexibile, este necesară dezvoltarea unor metode de micro-nano-fabricaţie folosind tehnici moderne care duc la îmbunătățirea performanțelor electrice ale acestora. Metoda optimizată în Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Moleculare (INCDTIM) Cluj-Napoca pentru obţinerea acestor dispozitive abordează tehnici de fabricaţie de tip „bottom-up“, care utilizează echipamente de înaltă precizie aflate în dotarea Institutului.

Elemente de circuit flexibile și transparente

Componentele electronice flexibile și transparente au câștigat o popularitate imensă în ultimii ani, fiind esențiale pentru dezvoltarea de sisteme complet flexibile, ceea ce ar permite noi aplicații în domeniul electronicii, biotehnologiei, energiei și a senzorilor. Electronica flexibilă și transparentă prezintă o nouă eră a tehnologiilor electronice. Aplicațiile omniprezente includ electronica purtabilă, biosenzori, afișaje transparente flexibile, dispozitive de identificare prin radiofrecvență (RFID) etc. [1]. Până în prezent, comercializarea eficientă a unor astfel de dispozitive a fost împiedicată, în principal, de constrângerile legate de costuri și de performanță. Cu toate acestea, pentru anumite aplicații, cum ar fi dispozitivele medicale sau cele implantabile, funcționalitățile specifice furnizate de flexibilitate, biocompatibilitate și adaptabilitate a dispozitivelor electronice ușoare transparente și flexibile sunt mult mai importante decât obstacolele menționate anterior. Dezvoltarea circuitelor electronice flexibile joacă un rol crucial în toate aceste aplicații [ 2, 3 ,4 ]. Oxidul de zinc (ZnO) și materialele asociate sunt cei mai frecvent utilizaţi semiconductori anorganici în dispozitivele flexibile și transparente, datorită temperaturii scăzute de procesare și a unei bune transparențe optice. Ca material multifuncțional, ZnO posedă proprietăți remarcabile și unice ce a atras cercetătorii în ultimii ani datorită impactului său comercial promițător într-o gamă largă de domenii. Oxidul de zinc este ieftin, abundent, uşor de obţinut şi non-toxic. În plus, rezistivităţile scăzute care pot fi obţinute fac din acesta principalul candidat pentru a substitui oxidul de indiu dopat cu staniu. Mai mult, a fost considerat un material de referință pentru electronica flexibilă şi transparentă, care este o ramură promiţătoare în electronică.

Recent au existat câteva încercări de a fabrica diode hibride organic-anorganic cu ZnO folosind polianilină, pentacenă și poli(3-hexiltiofen). În toate aceste cazuri, nu este clar dacă redresarea se datorează interfeței dintre ZnO și stratul organic [5]. Spre deosebire de diodele hibride organic-anorganic cu ZnO, diodele semiconductoare hibride organic-anorganic sunt dispozitive electronice cu contacte ohmice terminale și care au în structura lor o joncţiune p-n realizată la interfaţa dintre ZnO și molecule organice de ftalocianină de fier (FePc). Valoarea conductivităţii electrice depinde de sensul tensiunii aplicate: pentru sensul direct, care micşorează bariera energetică de echilibru, conductivitatea are o valoare ridicată, iar pentru sensul invers, care măreşte bariera energetică, conductivitatea devine redusă. La interfaţa organic-anorganic se formează o barieră energetică Wb datorată difuziei purtătorilor de sarcină dintr-un mediu în altul, care duce la apariţia unei bariere de potenţial Vb. Elementul de bază în majoritatea dispozitivelor electronice este joncţiunea p-n caracterizată prin: lărgime, sarcină spaţială, câmp electric, potenţial de difuzie şi capacitate electrică.
Combinația ZnO de tip n și semiconductorii organici de tip p extinde orizontul în fabricarea de noi dispozitive hibride funcționale, moleculele de ftalocianină coordinate prin ioni de fier (FePc) fiind bune candidate datorită proprietăților sale electrice. FePc este un compus macrociclic organic, utilizat în trecut în special ca și colorant, datorită culorii foarte intense.

Diodă hibridă ZnO/FePc fabricată prin epitaxie cu fascicul molecular

Metoda dezvoltată în Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Moleculare (INCDTIM) Cluj-Napoca extinde gradul de acuratețe în procesul de fabricare, comparativ cu metodele existente prin realizarea, dezvoltarea şi caracterizarea unei diode hibride organic-anorganic pe bază de multistraturi ultra-înalt structurate, obţinute prin tehnici de depunere epitaxială cu fascicul molecular. Ne-am propus fabricarea şi caracterizarea unei diode hibride organic-anorganic pe bază de compuşi moleculari cu centri metalici (FePc) utilizând ca electrod transparent ZnO dopat cu aluminiu (Al) obținute pe substrat rigid și/sau flexibil.

Depunerea de FePc s-a efectuat la temperatura camerei în condiții de vid ultra-înalt (≈10-10 mbar) prin tehnica de epitaxie cu fascicul molecular (MBE) utilizând sistemul MBE (Lab - 10 MBE, Omicron GmbH), iar caracterizarea depunerilor a fost facută prin microscopia de scanare cu efect tunel (STM) utilizând microscopul VT-SPM Omicron GmbH din cadrul Departamentului de Fizică Moleculară şi Biomoleculară al INCDTIM Cluj-Napoca în condiții de ultra-înaltă puritate asigurate de camerele curate existente (Figura 1).

Optimizarea metodei dezvoltate a avut ca rezultat direct fabricarea unei diode p-n hibride organic-anorganic (Figura 2) pe bază de joncțiuni FePc/ ZnO şi electrozi transparenți de AlZnO pe două tipuri de substraturi: sticlă de microscop (substrat solid) și policarbonat (substrat flexibil, Figura 3), cu o caracteristică curent – tensiune îmbunătăţită care prezintă potenţiale de deschidere mici (Vbi < 1V).
Transmitanţa înaltă (T > 80%) a electrozilor de AlZnO, precum și fabricarea diodelor pe substrat de policarbonat oferă posibilitatea acestor dispozitive de a fi utilizate în electronica transparentă și flexibilă.

Perspective
După ce etapa de optimizare a metodei de fabricaţie a diodei p-n hibride organic-anorganic a fost trecută cu succes, în viitor ne propunem perfecționarea ei pentru aplicații pe scară largă, prin înlocuirea stratului organic cu ftalocianine având alți centri metalici, care ar putea îmbunătăți calitățile diodelor obținute. Ne propunem de asemenea identificarea altor materiale cu proprietăți superioare de conducție, utilizate ca electrozi transparenți conductori (oxizi conductori transparenti - TCO). Dezvoltarea diodelor transparente şi flexibile va beneficia în viitor de facilitățile experimentale ultraperformante existente în INCDTIM Cluj-Napoca, în cadrul Centrului de Cercetare şi Tehnologii Avansate pentru Energii Alternative (CETATEA) prin sistemul de depunere bazat pe ablaţie laser (PLD).