29.06.

Transcription

29.06.

Physik Organischer Halbleiter:
Opto- und Mikroelektronik, Photovoltaik,
Sensorik
Volker Drach, Vladimir Dyakonov
[email protected]
Experimental Physics VI,
Julius-Maximilians-University of Würzburg
und
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern)
29 Juni 2011
Inhalte
Heute
Einführung und Motivation
1. Elektronische Struktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen
2. Spezialbeispiel: Polyacethylen
3. Ladungsträger in organischen Halbleitern
4. Optische Eigenschaften
5. Grundlagen des Ladungstransports
6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger
7. Bauelementtechnologie
8. Leuchtdioden (OLED)
9. Solarzellen (OSZ)
10. Andere Anwendungen: Transistoren (OFET), organische Laser, Sensoren
11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter
2
Bauelementetechnologie
Organische opto-elektronische Bauelemente
... sind Stapelstrukturen mit i. d. R. ultradünnen (d < 100 nm) Schichten
•
Kunststoffschicht
(Barriere) #1
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Metall #1
Organischer HL #1
Metall #2 (opt.)
Organischer HL #2
.... # N (opt.)
Dielektrikum (opt.)
Metall #2
Glas/Folie (Substrat)
Kunststoffschicht
(Barriere) #2
z. B. PHOLED (Universal Display
Corporation)
3
Organische opto-elektronische Bauelemente
Anforderungen sind sehr unterschiedlich, z. B. bei transparenter
bzw. flexibler Elektronik
TOLED (UDC)
FOLED (UDC)
4
Art des Materialtransports von Quelle zum Substrat
Flüssigphase
(Polymere, Sole, Suspensionen, Tinten etc.)
•
•
•
•
•
Pinseln
Tauchen
Aufschleudern
Liquid Phase Epitaxy(LPE)
Langmuir-Blodget
Gasphase (Vakuumbeschichtung)
kleine Moleküle, Metalle, Dielektrika
•
•
Physical Vapor Deposition (PVD)
Chemical Vapor Deposition (CVD)
5
Beschichtung aus der Gasphase
Chemical Vapor Deposition (CVD)
• Verdampfungsprozeß:
• reaktive Gase im Vakuum
Überführung von festem Material (Target)
in Gasphase durch Energieeintrag
Aufbrechen von Festkörperbindungen
• Dissoziation unter Energiezufuhr
(Substrattemperatur, Gasentladung,
Mikrowellen, Photonen, Katalyse, …)
• Transportphase:
Transport der Moleküle, Atome, Ionen
durch Gasraum; dabei gezielte/störende
Beeinflussung des Teilchenstrahls bzgl.
Energie, Zusammensetzung, Intensität,
Richtungsverteilung
• heterogene chemische Reaktionen
am Substrat (Vermeidung von
pulvrigen Kondensaten)
• Kondensatiosphase:
Kondensation des Materials auf Substrat
6
Thermisches Verdampfen durch:
– direkte Heizung (Verdampfen aus Schiffchen, Tiegel)
– induzierte Wirbelströme (Induktionsverdampfen)
– Elektronenbeschuß(Elektronenstrahlverdampfen)
– Laserstrahl (Laserstrahlverdampfen)
Zerstäubung (Sputtern) durch:
– selbstständige Gasentladung (Kathodenzerstäubung mit dc, ac, hf)
– elektrodenlose HF-Ringentladung
– unselbstständige Gasentladung (Triodenzerstäubung)
– separaten Ionenstrahl (Ionenstrahlzerstäubung)
Laserdeposition (PLD)
7
Fr.-W. Bach, K. Möhwald, A. Laarmann, T. Wenz, Moderne Beschichtungsverfahren, Wiley-VCH Verlag,
Weinheim, 2005
8
Vorteile PVD
•
•
kontrollierter Transfer von Atomen von der Quelle zum Substrat
atomistischer Verlauf von Schichtbildung und Wachstum
Verdampfung
Sputtern
thermische Entfernung von Atomen
von der (festen oder flüssigen) Quelle
Loslösung von Atomen von festem
Target durch Aufprall von Gasionen
Faraday (1857):
Experimente mit explosionsartig
verdampfenden Metalldrähten,
Abscheidung dünner
verdampfter Filme in Inertgas
Grove(1852):
beobachtet Abscheidung von
Metallen, die von Kathode einer
Glimmentladung abgesputtert
werden
9
1. Verdampfungsprozess
Erhitzung: Erhöhung des Dampfdrucks pD
Dampfdruck über Festkörper (Sublimation) bzw. Flüssigkeit (Schmelze)
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pD= f(T)
im Gleichgewicht:
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– beide Phasen nebeneinander
– Verdampfungsrate
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–
Sättigungsdampfdruck
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geringe
T-Änderungen geben große Änderungen in der Verdampfungsrate
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JKL78'@(F1&M+1@%L&<(<+NA&+OGFFCD1&)P+Q7'&&:F'$R);7$%8'CC'7+;&)+
10
Verdampfungsgeschwindigkeit
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CA+=3C3DE@+++=32G <,$8C+F
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!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
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!
"
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11
2. Transportphase (von Quelle zu Substrat)
!"#$%&'()*%+),&(!"#$%&'()*%+),&(-
Teilchenenergien:
Maxwell-Verteilung (Verdampfung, PLD)
Mittlere Energie vom Verdampfer emittierter Teilchen:
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8(??@"+A&'7<('+BC8+6'7)189:'7+'8(??('7?'7+/'(@$%'&D
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Maximum der Maxwell-Verteilung:
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3GI
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3G>4
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3GH4
3GH
3GH
3G=4
3G=4
3G=
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3G34
3G34
3
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H
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E1F* '@@
/'(@$%'&'&'7<('&D
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E1F* '@@
12
!"##$%&%'(&%"%')%*$+,*%'!
2.
Transportphase (von Quelle zu Substrat)
• Stöße mit Restgasatomen
/71&?9@7A+B@&+C;'DD'+E6'7)189:'7F+/17<'AF+"""G+H;+I'7J?AK$J+E#;L?A71AG
• Bildung von Verbindungen (Oxide, Nitride, ...)
M #ANO'+8(A+P'?A<1?1A@8'&
• mittlere freie Weglänge bei Raumtemperatur:
M Q(D);&<+B@&+6'7L(&);&<'&+ERS()'F+T(A7()'F+"""G
M
λ(mm) ≈0,063 / p(mbar), d.h., gasartabhängig
8(AAD"+:7'('+I'<DU&<'+L'(+P1;8A'89'71A;7V+!E88G+!
3F35W+,+!E8L17GF+<1?17A1L%U&<(<
13
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
6'7)189:;&<
=>
2. Transportphase (Einfluss Restgasdruck)
!"#$%&' ()*+,-*./&01
!"#$%&' ()*+
Hoher Restgasdruck:
•
•
•
Stöße
!>%'7+?'@A<1@)7;$BC
•
Veränderung der
! #ADE'+
Thermalisierung
! /%'781F(@('7;&<
! 6'7G&)'7;&<+)'7+
Veränderung
der
H(&B'FI'7A'(F;&<+
!"!#$! %&'"!#
Winkelverteilung
! 6'7G&)'7;&<+)'7+
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N(Θ)
∝cos(Θ)
( + (
' " & #$! ***
+
+
Stöchiometrie
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%" "
!>%'7+?'@A<1@)7;$BC
! #ADE'+
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! 6'7G&)'7;&<+)'7+
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!"!#$! %&'"!#
! 6'7G&)'7;&<+)'7+
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=4
14
2. Transportphase (Teilchenenergie)
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" B=%6-8 eV
#9;>>'7&?
2+,345%/01 &%%%$ $ #" # "Sputtern:
#" +.((& ) #E
#
#" $eV
' 0= 1-2
PLD: E
.DE?
Verdampfung:
E0= 0,06-0,08
eV
#"
6'7)189:"?
'()**+,- &%%%%%%%%$ $ #" # "
CVD:
$ #" ! #E!0#=! 0,005-0,01 eVH6E?
@A B+52C+'6
@3 B+=2F+'6
@3 B+3G3523G3C+'6
@3 B+3G33423G3=+'6
15
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
6'7)189:;&<
=5
!"#$%&'(&)*+,%&)-.*)(
3. Kondensationsphase: Teilchen trifft aus Substrat
?
?
?
?
/'(@$%'&+A7(::A+1;:+#;BCA71A+! D'*'<@($%E'(A
• meist: EBind(Atom-Substrat) < EBind(Atom-Atom)
8'(CAF+G
HIAJ82IAJ8K+
D(&)HIAJ82#;BCA71AK+L+G
• bei ausreichender
Energie D(&)
Oberflächendiffusion,
bis Stoß mit
B'(+1;C7'($%'&)'7+G&'7<('+MB'7:@N$%'&)(::;C(J&O+B(C+#AJP
8(A+1&)'7'8+IAJ8
anderem Atom
• Insel-/Keimbildung zumeist an „Störungen“(Defekte,
atomare
-&C'@2,Q'(8B(@);&<+R;8'(CA+1&+S#AT7;&<'&U
HV':'EA'O+1AJ817'+#;BCA71ACA;:'&K
Substratstufen)
•
="
•
Y"
•
["
\"•
4"
•
5"
•
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
Transport über Gasphase zur
Phasengrenze (Substrat/71&C9J7A+WB'7+X1C9%1C'+R;7+.%1C'&<7'&
Oberfläche)
H#;BCA71A2MB'7:@N$%'K
Absorption auf atomar glatter
IBCJ79A(J&+1;:+1AJ817+<@1AA'7+/'771CC'+
Terrasse (evtl. 1.Desorption)
H'ZA@"+="V'CJ79A(J&K
Transport zur Stufe
/71&C9J7A+R;7+#A;:'+HMB'7:@N$%'&)(::;C(J&K
(Oberflächendiffusion)
Anlagerung an Stufe (evtl.2.
I&@1<'7;&<+1&+#A;:'+H'ZA@"+Y"V'CJ79A(J&K
Desorption)
/71&C9J7A+'&A@1&<+#A;:'+H#A;:'&)(::;C(J&K+
Transport entlang Stufe
R;+!1@BE7(CA1@@@1<'
(Stufendiffusion) zu
G(&B1;+(&+#A;:'+H'ZA@"+["V'CJ79A(J&K
Halbkristalllage
Einbau in Stufe (evtl. 3.Desorption)
6'7)189:;&<
16
=
Prinzip der Verdampfung
!"#$%#&'()"'*)"(+,&-.$/
bei HV oder UHV Bedingungen
>?@1@(?&+:A7+
!?8?<'&(@B@
ACD($%'
>($%@;&<
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
6'7)189:;&<
=3
17
Widerstandsverdampfer
Dispenser
Alkalimetalle
Cs etc...
Knudsen-Gleichung:
1
p(T )a
√
F =
πL2 2πmkT [s · cm2 ]
a: Aperture; L: Abstand, p(T): Sättigungsdruck
18
Widerstandsverdampfer
!"#$%&'()#&*$%#(+,-$%
?;@*1%A+&1$%B
Auswahl nach:
C #$%($%D81D'7(1A
C • #$%($%D7'(&%'(D
Schichtmaterial
C • EF&)'&@1D(F&@71D'
Schichtreinheit
C • #$%($%D)($G'
Kondensationsrate
C #;H@D71DD'89'71D;7
• Schichtdicke
• Substrattemperatur
I1D'7(1A+:J7+6'7)189:'7B
C %F$%+@$%8'AK'&)B+LM+/1M+IF
Material für Verdampfer:
C &($%D+A'<('7'&)
C L'&)'A&+K"N"+:J7+?A
• hoch schmelzend: W, Ta, Mo
• nicht legierend
• Wendeln z.B. für Al
N.B: Abdampfrate ∝exp(-1/T)
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
6'7)189:;&<
19
=>
!"#$%&'()*+,-$.$/0".1+01/23
Bedampfungscharakteristik:
Punktquelle
4()/05("66"
Substratebene= Halbkugel mit Radius r:
2339:', 4*B8,-3,
*6-3?*I 7E3B<FJ@'-!I
1 *C,@?9'7F,@
2
A=
2
· 4πr
(
" #&" "
"
#
"
m
$
"
!
!
&
!
9EF!,?9'7F<,6*CD8E',3*
?,@*
>&:-&:<
4
***
"
2
>E+6<@9<,+,3,
*!*H98+BE!,8
*'-<*
G9?-E6*" 4*** % !
aufgedampftes
Volumen
der
Schicht:
V = 2πr d =
ρ*?,@*>&:-&:<$*% *=*;-&:<,.
0! *=*>&:-&:<?-&B,$*#*=*A966,
#
!!
******02339:',
m 4**% L-8' ! % &'() .
"&" " %
G9<, ( &D6 '
d=
2πr2 ρ
%
5,-67-,8 4*****(%%*3'*2!*0(%$1*!/&' K .*+,-*" ! "%*&'
Beispiel: 100mg Ag (10,5g/cm3) bei r=20**********
cm *********# ! "&" " %! # ) " #%%&' " " (%! "(% $1 &' !
&' K
−5
2
2 10g
·
10
cm = 0, 24g
m = 2πr ρd ≈ 6 · 400cm ·
3
cm
20
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
6'7)189:;&<
Elektronenstrahlverdampfer (ESV)
!"#$%&'(#()%&*+",#&-*./0#&12!345
?
@8*1&)A;&<+)'7+B(&'C(D$%'&+E&'7<('+FG&+
der kinetischen Energie
• Umwandlung
EA'BC7G&'&+HI"""=3+B'6J+(&+KL78'
Elektronen (4...20 keV) in Wärme
? von
6'7)189:'&+FG&+K+HM>33NOJ+8P<A($%
von W (3800°C) möglich
• ? Verdampfen
AGB1A'+E7%(CQ;&<+(&+<'BR%AC'&+O;2/('<'A&S+
Erhitzung in gekühlten Cu• lokale
B1;8+6'7;&7'(&(<;&<'&
Tiegeln:
? -DGA1CG7'&S
Verunreinigungen
• kaum
! T;:A1);&<+
! #C7';;&<+)'D+EA'BC7G&'&DC71%AD+
Isolatoren:
! /'89'71C;71&DC('<+(8+U1C'7(1A+
• Aufladung
! TVD(&B'&+)'D+TVA'(C*()'7DC1&)'D+
des)'D+Y7'&&:A'$BD
Elektronenstrahls
• Streuung
!WXR&)'&W
•
•
Temperaturanstieg im Material
“Zünden“des Brennflecks
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
elektrische Fokussierung, V-förmig, inhomogenes E-Feld
6'7)189:;&<
=>
21
ESV: magnetische Fokussierung
!"#$%&'(#()%&*+",#&-*./0#&
Magnetfelder
notwendig:
?
Strahlablenkung
180° oder 270°
@&'7<('A(B1&CD+
*(&E'B2 ;&)+81F'7(
HI$EJF7';;&<+)'7+
J'&E7'$%F'7+@(&:1BBD+
JF7'(:'&)'7+@(&:1BBD+
)'7+#F71%BB'(JF;&<+7'
?
QG78'A(B1&C+1A%G
M J9'C(:(J$%'7+Q
M #$%8'BC2 ;&)+
6'7)189:;&<J
M U1)1AJF71%B;&
M V'(F;&<+(8+/('
22
!"#$%&'()'*(&)+,+-.!/+0'&1+2 34,35
6'7)189:;&<
Verdampfung organischer Materialien
Unter Sublimation bezeichnet man in der Thermodynamik den
Prozess des unmittelbaren Übergangs eines Stoffes vom festen in
den gasförmigen Aggregatzustand ohne sich vorher zu
verflüssigen. Das ist ein Phasenübergang.
Zur Sublimation ist Energie nötig (Sublimationsenergie)
23
Knudsen-Zellen
24
m‘s Best
‘s Best
Knudsen-Zellen
filament
filament
filament carrier
filament carrier
protection cover
protection cover
radiation shield
deal small-area point source
ideal small-area
point source
measurement
1
meadurement
2 1
measurement
crucible
meadurement 2
m crucible with aperture
prox. 220 mm
temperture sensor
base
(optionally cooled)
150
tion in relation to the
e of the substrate (mm)
eristic of a real point
h a simulation curve
crucible
temperture sensor
rom crucible with aperture
approx.
0 22050mm 100 150
to50
the 100
0n in relation
0
of the substrate (mm)
radiation shield
base
(optionally cooled)
power supply
cteristic of a real point
with a simulation curve Figure 4:
power supply
us forms of the mole- Example of evaporator source for organic substances and schematic design of an evaporaontrolling the growth tor. Reference: CreaPhys/Edwards Vacuum
Figure 4:
tances and their layer besonders geeignet für die Sublimation von Materialien mit niedriger
ious forms of the mole- Example of evaporator source for organic substances and schematic design of an evaporafar more complicate gible in the substances which are typi- exponential dependence of the rate on
tor.
Reference:
CreaPhys/Edwards
Vacuum
T cally in
(Z.B.
Organik,
Tsubl. < 500°C)
controlling
the growth
g the growth of lay- subl.
the temperature. Fig. 1 shows the meathe form of powder. Generally,
bstances
and
their
layer
organic semiconduc- the evaporation flux (~rate) Φ can be sured temperature rate dependence
se. far
more complicate
exponential
dependence
giblebyinmeans
the substances
which are
Nevertheless,
the calculated
andtypithe exponential
evaporation
behav- of the rate on 25
of the Herz-Knudubstrate
of the
ior of the OLED
emitter materialFig.
Alq3.
sen equation:
ng the type,
growth
of laythe temperature.
1 shows the meacally in the form of powder. Generally,
Kontrolle über die Schichtdicke
1) RHEED: Refraction High-Energy Electron Diffraction
change of electron interference
pattern as function of coverage
2) QCM: quartz crystal microbalance
change of crystal-resonance
frequency upon mass-deposition (sensitivity down to
10-9g/cm2)
2f02 ∆m
∆f = − √
A ρq µq
scher oscillation in q.
1. Min.: 50% Bedeckung
ρq: density
µ q: shear moduli
26
Kommerzielle Produkte: Fa. CreaPhys GmbH
T=50° bis 600°
T bis 1700°
27
roll-to-roll coating already noted for
inorganic materials are also used for
Kommerzielle Produkte: Fa. CreaPhys GmbH
Evaporation rate vs. evaporation temperature
rate (Angström/sec)
e used as
er vacureasingly
als, such
yes. The
nd phematerials
ent con20 years.
focused
anic subng comic solar
nic moleaporated
hat used
10
1
measurement
exponential fit
0.1
0.01
material: Alq3
440
480
temperature (K)
520
Figure 2:
Simple evapo
point source
28 the
between
ensures high temperature homogeneity
across the deposition zones and smooth
Implosion protection
temperature gradient. The maximum temperature of the oven is 600°C. The inner
glass tube, that is intended for deposition
3-channel control unit
of the compounds consists of several
including vacuum
segments to separate the different fracticontrol
ons of the material. The vacuum system
operates at high vacuum conditions with a
3-zone gradient-oven
-6
base pressure of < 10 mbar. TemperaEvaporation,
defined recrystallization, purification in one process
tures are set by PID temperature controller and manages the power input to the
The Tube-based Vacuum SublimationMembrane
Unit pro-pump
oven.
vides the ability to purify organic volatile compounds by vacuum sublimation (fractionate evaOperation
poration and re-crystallization), both for subliBy fractionate evaporation and defined re-mable compounds and liquid phase compounds
crystallization the system separates thefor application in organic opto-electronics
material of sublimed grade, residues and(e.g. OLEDs, organic photovoltaics) or
further volatile fractions (impurities). Bynanotechnology. The maximum load of material
tuning the temperature regime the systemto be purified is ranges between 5 g and 10 g
residues on materialSublimed
grade The system
Volatile fractions
to be purified.
achieves high yields and high quality ofdepending
the material to be purified. The glass tub-is designed for application in the field of R&D.
ing enables direct visual control of theThe setup is most flexible for R&D applications
and easy to handle.
sublimation progress.
Tube-based Vacuum Sublimation Unit
Tube Vacuum Sublimation (Fa. CreaPhys GmbH)
DSU05-h / DSU05-v
DSU05-h assembled in a glovebox
a temperature
•Options
Specificationsgradient inside the glass tube
(max)=600°C
(DSU05-h) or vertical (DSU05-v) configuration
oven
•• THorizontal
Materials
Organic molecular compounds
with liquid
or solid phase
cost-effective
Duran (Pyrex) or high temperature quartz
tubing
-6 mbar
••• P<10
low-temperature cold trap (e.g. LN2)
Sublimation
•
valved
system Efficiency
and
bypass
pump system
operation up to 97%
inner
glass
tube
for deposition
of the
compounds
consists
•• The
(dependent
on material
and
various source options to fit material demands
•
•
•
configuration)
ofsemi-automatic
several process
segments
topersonal
separate
the different fractions of the
control via
computer
Base control
pressurevia
(clean
system)
< 10 mbar
Remote
network
material
-6
Glovebox-Assembly for inert operation
Typical charge capacity
0.5 g ... 5 g (10g)
(depending on material)
29
Organic Vapor Phase Deposition
(Universal Display Corporation, USA)
Universial Display
•
•
•
•
•
Höchst effiziente Nutzung des organischen Materials (> 50%)
Exakte Kontrolle der Schichtzusammensetzung (Co-Matrix/Dotierung)
Geringe Betriebskosten (ext. Quellen)
Hohe Beschichtungsraten (bis 1 nm/s)
Flächenskalierbarkeit durch die Close Coupled Showerhead
(CCS)-Technologie
30
Organic Vapor Phase Deposition (Fa. AIXTRON)
31
Organic Vapor Phase Deposition (Fa. AIXTRON)
32
Depositing Organics
Aim: Printing of functional organic circuits at ambient T and P
Challenge: use suspension or solution (inks) instead of solid formed
by thermal evaporation
Methods:
Spin-Coating
Dip-Coating
Doctor blade
Printing:
-Inkjet
-flexographic
-offset
-screen printing
33
Nasschemische Beschichtungsverfahren
ing
g
tin
coa
in-
Sp
ray
p
S
tin
a
o
-c
at
o
c
r-
lle
Ro
g
n
kel
a
R
34
r die Sol-Gel-Technologie
Normalverglasung
Spray coating
Nasschemische Beschichtungsverfahren
Dip coating
Spray coating
Industrielle Verfahren
Spin coating
ndustrielle Verfahren
Beschichtungsverfahren für die Sol-Gel-Technol
Rollercoating
coating
eschichtungsverfahren fürSpin
die Sol-Gel-Technologie
Normalverglasung
Rollercoating
21
Spray coating
Spray coating
Dip coating
Quelle: Dr. Thomas Hofmann, CENTROSOLAR
35
1. Einleitung
Spin-Coating (Rotationsbeschichtung)
Das Spin Coating (englisch für „Rotationsbeschichtung“) ist ein häufig in der Industrie angeein Verfahren
häufig inzum
der Auftragen
Industrieund
angewandtes
zum
Auftragen
und
wandtes
gleichmäßigen Verfahren
Verteilen von
Materialien
(auch
gleichmäßigen
Verteilen
von Materialien
auf einem
Substrat
(auch
„Resist“
genannt) auf einem
Substrat (auch
Träger oder „Wafer“
genannt).
Eine schematische
Darstellung
desoder
Verfahrens
findetgenannt)
sich in Abbildung 1.
Träger
„Wafer“
36
1. Einleitung
Das Spin Coating (englisch für „Rotationsbeschichtung“) ist ein häufig in de
wandtes Verfahren zum Auftragen und gleichmäßigen Verteilen von M
„Resist“ genannt) auf einem Substrat (auch Träger oder „Wafer“ genannt). E
Darstellung des Verfahrens findet sich in Abbildung 1.
•
Das Substrat wird auf einem Drehteller („Chuck“)
mittels Vakuum fixiert
•
Mit einer Dosiereinrichtung über dem Zentrum des
Substrats wird die gewünschte Menge an „Resist“
aufgebracht
•
Beschleunigung des Drehtellers. Enddrehzahl und
Rotationszeit werden am Spin Coater eingestellt
•
•
Abb. 1: Das Spin Coating Verfahren
Überschüssige Lösung wird vom Substrat
Das Substrat wird auf einem Drehteller („Chuck“) mittels Vakuum fixiert. M
abgeschleudert
einrichtung über dem Zentrum des Substrats wird die gewünschte Menge a
bracht. Bei dem aufgebrachten Material handelt es sich um eine schwerfl
(z.B. Polymer, Lack oder Flüssigkristall), die in einem leichtflüchtigen Lösu
ist. Beschleunigung des Drehtellers, Enddrehzahl und Rotationszeit werden
eingestellt und das aufzubringende gelöste Material wird gleichmäßig
Oberfläche verteilt. Überschüssige Lösung wird vom Substrat abgeschleuder
Das aufzubringende gelöste Material wird
gleichmäßig über die Wafer-Oberfläche verteilt
Der Spin Coating Prozess lässt sich in drei Teilprozesse untergliedern. Im e
den man üblicherweise als „Deposition“, „Spin-Up“ oder „Dispense“ beze
Lösung in die Mitte des Substrats gegeben. Anschließend wird
37 der Dreht
versetzt, wobei sich die Lösung aufgrund der Zentrifugalkraft auf dem Sub
1. Einleitung
Das Spin Coating (englisch für „Rotationsbeschichtung“) ist ein häufig in de
wandtes Verfahren zum Auftragen und gleichmäßigen Verteilen von M
„Resist“ genannt) auf einem Substrat (auch Träger oder „Wafer“ genannt). E
Darstellung des Verfahrens findet sich in Abbildung 1.
Im letzten Teilschritt („Evaporation“ oder „Drying“)
während des Rotationsvorgangs:
•
das leichtflüchtige Lösungsmittel verdampft
•
die schwerflüchtige Komponente bleibt als Film
auf dem Substrat zurückbleibt
Wie hängt die Schichtdicke des Films von der Konzentration der
eingesetzten Lösung ab?
Abb. 1: Das Spin Coating Verfahren
Modell von Flack und Meyerhofer:
J. Appl. Phys. 56 (1984) 1199
Das Substrat wird auf einem Drehteller („Chuck“) mittels Vakuum fixiert. M
einrichtung über dem Zentrum des Substrats wird die gewünschte Menge a
bracht. Bei dem aufgebrachten Material handelt es sich um eine schwerfl
(z.B. Polymer, Lack oder Flüssigkristall), die in einem leichtflüchtigen Lösu
J. Appl. Phys. 49 (1978) 3993
ist. Beschleunigung des Drehtellers, Enddrehzahl und Rotationszeit werden
eingestellt und das aufzubringende gelöste Material wird gleichmäßig
Oberfläche verteilt. Überschüssige Lösung wird vom Substrat abgeschleuder
Der Spin Coating Prozess lässt sich in drei Teilprozesse untergliedern. Im e
den man üblicherweise als „Deposition“, „Spin-Up“ oder „Dispense“ beze
Lösung in die Mitte des Substrats gegeben. Anschließend wird
38 der Dreht
versetzt, wobei sich die Lösung aufgrund der Zentrifugalkraft auf dem Sub
ngen von Flack et al. [1] und Meyerhofer
die Aussagen darüber
erlauben, zur
wieWurzel
die
abhängt. Die[2],
Evaporationsrate
e ist proportional
aus
cke der Filme l von
Einflussgrößen wie der Viskosität der eingesetzten Lösung ,
tionsgeschwindigkeit im Spin
Coating
Prozess Ableitungen
, sowie derwerden
Evaporationsrate
e als N
In den
theoretischen
die Lösungen
Spin-Coating
(Rotationsbeschichtung)
Die Evaporationsrate
e ist proportional
aus .
behandelt,zur
aufWurzel
die Zentrifugalkräfte
und lineare Scherkräfte
gezeigt, dass die Filmdicke l im Rahmen des Modells durch die
eoretischen Die
Ableitungen
als Nicht-Newtonsche
Flüssigkeiten
Lösungenwerden
werden
alsLösungen
nicht-Newtonsche
Flüssigkeiten behandelt,
wird:die
die auf die Zentrifugalkräfte
lineare Scherkräfte
wirken
t, auf die Zentrifugalkräfte
und lineareund
Scherkräfte
wirken. In
Referenz [2] wird
dass die Filmdicke l im Rahmen des Modells durch die folgende Gleichung
bestimmt
1/ 3
3
Mayerhofer zeigte, dass die Filmdicke l im Rahmen& des
Modells
& x
#
3
⋅
x
⋅
ν
⋅
e
PS
K
! ∝$
l =$
durch die Gleichung bestimmt wird:
$ 2 ⋅ (1 − x ) ⋅ ω 2 !
$ (1 − x
PS
%
%
"
1/ 3
1/ 3
& 3 ⋅ x PS 3 ⋅ν K ⋅ e #
& x PS 3 ⋅ν K #
! ∝$
! .
l =$
(1)
2
3
/
2
$ 2 ⋅ (1xPS
$
!
!
− xist
⋅ ω Stoffmengenanteil
PS )der
%
% (1 − x PS ) ⋅ ω des" Polystyrols. Im letzten T
"
ausgenutzt, dass die Evaporationsrate proportional zur Wurz
kinematische Viskosität, die mit der dynamischen Viskosität η
mit:
er Stoffmengenanteil des Polystyrols.
Im letzten Teil von Gleichung (1) wurde
zusammenhängt:
zt, dass die Evaporationsrate proportional zur Wurzel aus
ist. νK steht für die
xPS
Stoffmengenanteil in der Lösung
sche Viskosität, die
dynamischen
Viskosität
η und der Dichte
vK mit der
kinematische
Viskosität,
(η -dynamische)
ν Kρ=der
η / Lösung
ρ
.
nhängt:
ω
Rotationsgeschwindigkeit
Annahme: die Evaporationsrate ist proportional zur Wurzel aus ω
ν K =Literaturstelle
η/ρ
.
(2)39
In der
[3] wird beschrieben, dass man empirisch
Dip-Coating
40
Dip-Coating
Einstellbar:
Verweildauer in der Flüssigkeit: Beruhigung der Flüssigkeit und
thermisches Gleichgewicht F - Substrat
Ziehgeschwindigkeit: bestimmt wesentlich die Schichtdicke
Landau-Levich-Gleichung
d = 0.94 ·
mit:
(η · v)2/3
1/6
γLV (ρ
· g)1/2
d Schichtdicke
η Viskosität
γLV Grenzflächenspannung
ρ Dichte
g Ortsfaktor (Schwerkraft)
v Ziehgeschwindigkeit
41
Spin-Coating
Indium-Zinn-Oxid
Beschichtung des Glassubstrats mit einer durchsichtigen Elektrode (ITO), Strukturierung
Glas
Polymere: Spincoaten des Films
Kleine Moleküle: Thermisches Verdampfen im Vakuum
Aufdampfen der Gegenelektrode (Metall)
• evtl. mehrere organische Schichten
• Verkapselung
42
Dip-Coating
Beschichtung der Proben durch Dip-Coating
4 Phasen:
Eintauchen
Verweilen
Hochziehen
Trocknen / Gelierung
Dicke des Flüssigkeitsfilms:
(Landau-Levich-Gleichung)
d = 0,944 ⋅
2
3
(η ⋅ v )
1
6
γ ⋅ ρ⋅g
43
Dip-Coating
Landau-Levich-Gleichung
d = 0.94 ·
mit:
d
η
γLV
ρ
g
v
(η · v)2/3
1/6
γLV (ρ · g)1/2
Schichtdicke
Viskosität
Grenzflächenspannung (Flüssigkeit/Luft)
Dichte
Ortsfaktor (Schwerkraft)
Ziehgeschwindigkeit
Temperatur-und Luftfeuchtebedingungen während des Ziehvorganges
sind sehr wichtig!
44
Oberflächenstrukturierung
Elektronenstrahl-Lithographie
45
Funktionsweise der Elektronenstrahllithographie
Oberflächenstrukturierung
Auf ein Substrat (a) wird eine Lackschicht
aus PMMA und eine dünne Goldschicht
zur Ladungsableitung aufgetragen (b).
Durch Belichten mit einem Elektronenstrahl
wird der Lack dann an bestimmten Stellen
zerstört (c), danach werden Goldschicht
und der zerstörte Lack entfernt (d).
Durch thermisches Aufdampfen können
anschließend die gewünschten Schichten
aufgetragen werden (e).
Nach Entfernen des restlichen Lacks erhält
man die gewünschte Struktur (f).
46
Polymere
Beschichtungstechniken für R2R
Roller-Coater
Curtain-Coater
Screen Printing
47
Polymere
Rolle-zu-Rolle Prozessierung
48
Tinten
4 Basiskomponenten:
Farbstoffe (pigment, dye)
Binder
Lösungsmittel
Additives (surfactant)
> 1µm
nass
≈100nm
trocken
49
Inhalte
Das nächste Mal
Einführung und Motivation
1. Elektronische Struktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen
2. Spezialbeispiel: Polyacethylen
3. Ladungsträger in organischen Halbleitern
4. Optische Eigenschaften
5. Grundlagen des Ladungstransports
6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger
7. Bauelementtechnologie
8. Leuchtdioden (OLED)
9. Solarzellen (OSZ)
10. Andere Anwendungen: Transistoren (OFET), organische Laser, Sensoren
11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter
50

29.06.

Transcription

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