DE10226366A1 - Elektroden für optoelektronische Bauelemente und deren Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Elektroden, die sphärische Allotrope, insbesondere Silizium- und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren umfassen sowie deren Verwendung in der organischen Halbleitertechnik. Die Elektroden können entweder nur Allotrope umfassen und/oder Allotrope, die in ein organisches Funktionspolymer eingebettet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft Elektroden, die sphärische Allotrope, insbesondere Silizium- und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren umfassen sowie deren Verwendung in der organischen Halbleitertechnik.
  • Bekannt sind aus der DE 101 268 59.9 Elektroden für optoelektronische Bauelemente basierend auf organischen Leitern wie PANI, PEDOT:PSS(Polystyrolsulfonsäure) etc.
  • Aus der 101 53 316.0 sind derivatisierte Nanoröhren und sphärische Allotrope für den Einsatz in (opto)elektronischen Bauelementen bekannt.
  • Die Leitfähigkeit, die Transparenz für Licht, die elektronische Arbeitsfunktion und/oder die Oberflächenbeschaffenheit dieser Elektroden können jedoch noch optimiert werden.
  • Es besteht daher der Bedarf, neue und bessere Elektroden auf organischer Basis zum Einsatz in der sogenannten „Polymer-Elektronik" , also dem Zweig der Elektronik, der abseits von den herkömmlichen Materialien wie Silizium, Germanium etc. Halbleitertechnik realisiert, zu schaffen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue und in ihren (opto)elektronischen Eigenschaften verbesserte Elektrode für organische Halbleiterbauelemente und optoelektronische Bauelemente zur Verfügung zu stellen.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrode für optoelektronische- und/oder organische Halbleiterbauelemente, die Allotrope umfasst.
  • Die Erfindung kombiniert z.B. auch Allotrope mit organischen Leitern oder Halbleitern (typischerweise konjugierten Polymeren) zu einer semitransparenten oder nicht transparenten Elektrode.
  • Die Elektroden können die Allotrope entweder in ihrer metallisch-leitfähigen Form oder in ihrer halbleitenden Form umfassen. Beispiele metallisch-leitender Allotrope sind beispielsweise aus der Literatur (Z. F. Ren, Z. P. Huang, J. W. Xu, D. Z. Wang, J. H. Wang, L. Calvet, J. Chen, J. F. Klemic, and M. A. Reed, "Large Arrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes", Proceedings of 13th International Winter School on Electronic Properties of Nove Materials, Pages 263–267, (1999) bekannt.
  • Nanoröhren weisen eine Vielzahl einzigartiger elektronischer, optischer und mechanischer Eigenschaften auf. Einwandige Nanoröhren besitzen hohe Dehnungsfestigkeit und können je nach Durchmesser und Chiralität metallisch, halbleitend oder isolierend sein. Um diese Eigenschaften für nanotechnologische Anwendungen ausnützen zu können, kann auch eine chemische Derivatisierung von Nanoröhren sinnvoll sein, weil dadurch deren Löslichkeit und Verarbeitbarkeit beeinflusst werden kann. Insbesondere sind die derivatisierten und/oder löslichen Nanoröhren als Teil eines Phasengemisches in organischen Funktionspolymeren der Mikroelektronik einsetzbar.
  • Sphärische Allotrope wie Nanoröhren sind z.B. in Nature 1991, Vol. 354, Seiten 56 bis 58 beschrieben. Es gibt Silizium und Kohlenstoff-Nanoröhren.
  • Die Alltotrope können leitfähigen organischen Materialien entweder zugesetzt werden und/oder auf Substraten gezogen werden. Die Elektroden können entweder rein mit metallischen Allotropen, oder durch Verbundmaterialien mit metallischen Allotropen und/oder mit halbleitenden Allotropen realisiert werden.
  • Für positive/negative Elektroden eignen sich folgende Allotrope, die durch vorherige Deposition eines geeigneten Katalysators auf Substraten wie Glas, Metall (Molybdän), Halbleiter (Silizium) oder auch auf Folien (PET) gebildet werden. Für positive/negative Elektroden eignet sich auch eine Kombination aus zumindest zwei Elementen ausgewählt aus der Gruppe
    • – der leitfähigen Substrate (leitfähige Oxide (ITO),
    • – der dotierten Halbeiter (Silizium, Germanium...),
    • – von Metallen wie AL, Ag.... oder
    • – von nicht leitfähigen Substraten ( Glas, Folien,...) auf denen Allotrope entweder in Reinstform, oder in Mischungen mit leitfähigen oder nicht-leitfähigen Bindematerialien (Polymere....) aufgetragen werden.
  • Der Begriff "organisches Material" oder "Funktionspolymer" oder "Polymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder organisch-anorganischen Kunststoffen (Hybride), insbesondere die, die im Englischen z.B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium), und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff-enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z.B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligomere Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "polymer" im Funktionspolymer ist historisch bedingt und enthält insofern keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren Verbindung. Als Funktionspolymer können halbleitende, leitende und/oder isolierende Stoffe gemeint sein.
  • Auf einem Substrat aufgewachsene (gebildete) metallische Allotrope oder Nanoröhren ergeben leitfähige Elektroden mit ei ner dreidimensionalen Struktur, beispielsweise einen zweidimensionalen Array mit darauf stehenden Nanoröhren, die eine große Oberfläche hat. Die Oberflächevergrößerung, also das Verhältnis der Substratoberfläche, auf der das Allotorop aufgebracht wird, zu der nutzbaren Elektrodenoberfläche, also der aktiven Fläche, lässt sich durch die Dichte der Bepflanzung, also der gewachsenen Allotrope und/oder durch deren Länge noch steigern.
  • Verbundmaterial für Elektroden kann z.B. durch Einbettung von metallischen Allotropen in eine Matrix aus leitendem Funktionspolymer hergestellt werden. In dieser Mischung des Allotrops mit dem organischen Funktionspolymer kann über die Menge an Allotrop, dessen Konzentration in der Matrix die Leitfähigkeit und/oder die Transparenz der Elektrode optimiert werden. Aus diesem Verbundmaterial kann z.B. als Lösung eine Elektrode gedruckt werden.
  • Als positive Elektrode (Elektronenakzeptor) für Heterojunction Anwendungen können insbesondere auch halbleitende Allotorope eingesetzt werden. Vor kurzem wurde gezeigt, dass Composites aus Nanoröhren mit konjugierten Polymeren einen starken Photoeffekt zeigen (S. B. Lee, T. Karayama, H. Kajii, H. Araki and K. Yoshino, Synth. Met 121 (2001) 1591–1592).
  • Für optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise organische Leuchtdioden (OLEDs) aber auch organische Solarzellen und Photodetektoren lassen sich die optischen Eigenschaften der Elektrode durch die Veränderung der Länge der Allotrope anpassen. Allotrope oder Nanoröhren geeigneter Länge funktionieren wie eine λ/4 Antenne, die zur Absorption von elektromagnetischer Strahlung dient. Um z.B. mit Allotropen eine Absorption im sichtbaren Lichtwellenbereich zu erreichen (400 nm–800 nm), werden Allotrope mit einer Länge von 100 bis 200 nm eingesetzt.
  • Im folgenden wird die Erfindung noch anhand von Beispielen näher erläutert:
    Beispiel 1 ist die Ausführungsform der Erfindung als organische Solarzelle oder organischer Photodetektor, basierend auf einer metallischen Nanoröhrenelektrode. Zunächst werden die Nanoröhren entweder auf einem leitfähigen Substrat abgeschieden, als Alternative können die Nanoröhren auch auf einem nicht leitfähigen Substrat "gewachsen" das heißt "durch Wachsenlassen gebildet" werden. Zur Kontaktierung wird die Nanoröhren-Elektrode mit einem leitfähigen (gegebenenfalls oder optional semitransparenten Polymer) beschichtet (z. B. durch einen Druckprozess aus der Lösung). Diese Elektrode umfasst dann diese Schichten
    • – Substrat
    • – optional leitfähige Schicht, z. B. Au, ITO, Al...
    • – Nanoröhre (gezielt einstellbare Länge, Anordnung)
    • – optional leitfähiges Polymer.
  • Auf diese Elektrode wird dann der organische Halbleiter (oder eine Mischung aus organischem p-Typ und n-Typ Halbleiter) abgeschieden (beispielsweise durch einen Druckprozess aus der Lösung). Das Bauteil wird durch das Aufbringen einer Gegenelektrode (typischerweise durch thermisches Aufdampfen einer dünnen Metallschicht) fertiggestellt. Durch geeignete Wahl der Länge der Nanoröhren und ihrer Anordnung kann die optische Absorption erhöht werden.
  • Das zweite Beispiel beschreibt eine organische Solarzelle oder einen organischen Photodetektor, basierend auf einer halbleitenden Nanoröhrenelektrode. Zur Kontaktierung werden die Nanoröhren entweder auf einem leitfähigen Substrat abgeschieden, als Alternative können die Nanoröhren auch auf einem nichtleitfähigem Substrat gewachsen werden. Zur Kontaktierung wird die Nanoröhrenelektrode mit einem leitfähigen (optional semitransparenten Polymer) beschichtet (z. B. durch Druckprozess aus der Lösung). Auf diese Elektrode (bestehend aus Substrat /(optional leitfähige Schicht, z. BP, Au, ITO, Al...)/Nanotube/(optional leitfähiges Polymer)) wird der organische Halbleiter (bevorzugt ein p-Typ Halbleiter) abgeschieden (typischerweise durch Druckprozess aus der Lösung). Die halbleitenden Nanoröhren der Elektrode fungieren als n-Typ Halbleiter, so dass es zwischen dem polymeren Halbleiter und den Nanoröhren zu einem Photoeffekt kommt. Das Bauteil wird durch das Aufbringen einer Gegenelektrode (typischerweise durch thermisches Verdampfen von dünnen Metallschichten) fertiggestellt. Durch geeignete Wahl der Nanoröhrenlänge und der Anordnung der Nanoröhren kann die optische Absorption erhöht werden.
  • Das dritte Beispiel beschreibt eine organische Leuchtdiode (oder ein organisches Display), basierend auf einer Nanoröhrenelektrode (Nanotubeelektrodenarray). Zur Kontaktierung werden die Nanoröhren (Nanotubes) entweder auf einem leitfähigen Substrat abgeschieden, als Alternative können die Nanotubes auch auf einem nichtleitfähigem Substrat gewachsen werden, zur Kontaktierung wird die Nanotube Elektrode mit einem leitfähigen (optional semitransparenten Polymer) beschichtet (z. B. durch Druckprozess aus der Lösung). Auf diese Elektrode (bestehend aus Substrat/(optional leitfähige Schicht, z. B. Au, ITO, Al...)/Nanotube/(optional leitfähiges Polymer)) wird der organische Halbleiter (bevorzugt ein p-Typ Halbleiter) abgeschieden (typischerweise durch Druckprozess aus der Lösung). Das Bauteil wird durch das Aufbringen einer Gegenelektrode (typischerweise durch thermisches Verdampfen von dünnen Metallschichten) fertiggestellt.
  • Schließlich wird noch das Kontaktieren einer organischen Solarzelle, einer organischen Leuchtdiode oder eines organischen Photodetektors durch Verpressen mit einer Kohlenstoff-Nanoröhrenelektrode. Das Halbleiterbauelement wird dabei wie folgt zusammengesetzt:
    • Schritt 1: Fertigung der Unterseite: Substrat/Elektrode 1 (Metall)/ organischer Halbleiter
    • Schritt 2: Verpressen einer gewachsenen Nanoröhrenelektrode in den organischen Halbleiter. Durch das Verpressen dringen die Kohlenstoff-Nanoröhren in den organischen Halbleiter ein und vollziehen die Kontaktierung. Bei dieser Technologie kann entweder die Elektrode 1 oder die Nanoröhrenelektrode semitransparent ausgelegt werden.
  • Die Erfindung betrifft Elektroden, die sphärische Allotrope, insbesondere Silizium- und/oder Kohlenstoff-Nanoröhren umfassen sowie deren Verwendung in der organischen Halbleitertechnik. Die Elektroden können entweder nur Allotrope umfassen und/oder Allotrope, die in ein organisches Funktionspolymer eingebettet sind.

Claims (7)

  1. Elektrode für optoelektronische- und/oder organische Halbleiterbauelemente, die Allotrope umfasst.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, bei der das Allotrop in metallischer Form oder halbleitend vorliegt.
  3. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das Allotrop in einem Verbundmaterial vorliegt.
  4. Elektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, die semitransparent oder transparent ist.
  5. Elektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Allotrop eine Nanoröhre, insbesondere eine Kohlenstoff-Nanoröhre ist.
  6. Elektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der durch die Längeneinstellung der eingesetzten Allotrope die optischen Eigenschaften der Elektrode gezielt einstellbar sind.
  7. Verwendung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem optoelektronischen und/oder elektronischen Bauelement, das zumindest ein organisches Funktionspolymer umfasst.
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