Táto prezentácia bola použitá v rámci projektu

1. Táto prezentácia bola použitá v rámci projektu http://provek.fns.uniba.sk Projekt je spolufinancovaný Európskou úniou. Portál Európske únie http://www.europa.eu.int/ European Social Fund http://europa.eu.int/comm/employment_social/esf2000 ESF na Slovensku http://www.esf.gov.sk/ ITMS 11230310158

2. MODERNÁ MATERIÁLOVÁ ORGANICKÁ CHÉMIAORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MIKRO/NANOTECHNOLÓGIE doc. RNDr. Martin Putala, PhD. Katedra organickej chémie Univerzita Komenského v Bratislave Prírodovedecká fakulta putala@fns.uniba.sk, www.fns.uniba.sk

3. MODERNÁ MATERIÁLOVÁ ORGANICKÁ CHÉMIAORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MIKRO/NANOTECHNOLÓGIE • Úvod • Organické zlúčeniny pre elektroniku (vodiče, diódy, tranzistory) • Organické zlúčeniny v zobrazovacích technológiách (LCD, OLED) • Organické zlúčeniny pre molekulové počítače (logické obvody a pamäťové médiá) • Organické zlúčeniny pre optoelektroniku (solárne elektrické a palivové články, laserové technológie)

4. ORGANICKÁ CHÉMIA POSKYTUJE: 1. ÚVOD Liečivá, prostriedky na ochranu rastlín Materiály: plasty, tkanivá, farbivá, palivá Materiály pre nové mikro- a nanotechnológie

5. KLASICKÉ POUŽITIE ORGANICKÝCH MATERIÁLOV: plasty a plastové ochranné a izolačné vrstvy, umelé tkanivá, farbivá a iné využitie makroskopických vlastností súboru ich veľkých molekúl ako celku (pružnosť alebo naopak tvrdosť, odolnosť, priehľadnosť, nízka hustota, ...) 1. ÚVOD „MODERNÉ“ ORGANICKÉ MATERIÁLY/TECHNOLÓGIE: využitie individuálnych vlastností organických molekúl (schopnosť vhodne interagovať so svetlom (elektromagnetickým žiarením), elektromagnetickým poľom alebo elektrickým prúdom) - svetlocitlivé (fotochrómne) šošovky alebo sklá vratne tmavnúce na svetle, - solárne články premieňajúce svetlo na elektrickú energiu, - displeje a obrazovky na báze kvapalných kryštálov (LC), - veľmi úsporné zdroje svetla a obrazovky na báze organických svetlovyžarujúcich diód (OLED), - ohybné a ultratenké organické tenkovrstvové tranzistory (TFT) a iné.

6. NANOTECHOLÓGIE: využitie individuálnych vlastností organických molekúl umožňuje miniaturizáciu súčiastok až do úrovne niekoľkých molekúl, resp. monomolekulových vrstiev 1. ÚVOD

7. VODIČE 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Málo polárne organické zlúčeniny –>nevodiče (opláštenie vodičov, nevodivý materiál medzi platňami kondenzátorov). Lineárne, veľmi dobre konjugované reťazce, napr. poly(tiofenylény) alebo poly(fenylénetinylény), vykazujú v smere reťazcavodivosť porovnateľnú s kovovými vodičmi. Za tento objav a rozvoj konjugovaných polymérov („organických kovov“) bola udelená Nobelova cena za chémiu v r. 2000.

8. VODIČE 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Meranie vodivosti individuálnych molekúl napr. pomocou skenovacej tunelovacej mikroskopie (STM)

9. VODIČE 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Príprava molekulového drôtu schopného prispôsobiť sa vzdialenosti elektród 2,4 nm 4,2 nm

10. POLOVODIČOVÉ DIÓDY (USMERŇOVAČE PRÚDU) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Klasické polovodičové dódy (n- a p-typu) vedú elektrický prúd len jedným smerom. Takto sa správajú aj organické zlúčeniny, pozostávajúce z donora (D, elektrónovobohatej časti) a akceptora (A, elektrónovochudobnej časti), prepojených nevodivým mostíkom (len so σ–väzbami). Smer vodivosti: len od akceptora na donor (v smere klesajúcej energie).

11. POLOVODIČOVÉ DIÓDY (USMERŇOVAČE PRÚDU) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Príprava polovodičovej diódy schopnej prispôsobiť sa vzdialenosti elektród

12. POLOVODIČOVÉ DIÓDY (USMERŇOVAČE PRÚDU) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Neklasické diódy: zmeny vodivosti na základe konformačných zmien.

13. POLOVODIČOVÉ TRANZISTORY (ZOSILŇOVAČE NAPÄTIA) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU OFET (organic field effect transistor) na báze tetracénového diolu ako polovodiča typu n 30-100 nm

14. POLOVODIČOVÉ TRANZISTORY (ZOSILŇOVAČE NAPÄTIA) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU OFET (organic field effect transistor) na báze oligotiofenylénu s elektrónoakceptornými substituentamiako polovodiča typu p

15. POLOVODIČOVÉ TRANZISTORY (ZOSILŇOVAČE NAPÄTIA) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU Porovnanie s klasickými polovodičovými tranzistormi na báze kremíka Použitie: napr. TFT technológie pre LCD displeje

16. POLOVODIČOVÉ TRANZISTORY (ZOSILŇOVAČE NAPÄTIA) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU TFT (thin layer transistor) technológia • Výroba elektrických obvodov na podložke: • laserová tlač, mikropečiatkovanie, rytie

17. POLOVODIČOVÉ TRANZISTORY (ZOSILŇOVAČE NAPÄTIA) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU TFT (thin layer transistor) technológia 2. Nanesenie zložiek tranzistora metódou atramentovej tlače (ink-jet)

18. POLOVODIČOVÉ TRANZISTORY (ZOSILŇOVAČE NAPÄTIA) 2. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE ELEKTRONIKU TFT (thin layer transistor) technológia ← 20 m → Výsledný obvod na polymérnej podložke

19. OBRAZOVKY NA TRHU 3. ORGANICKÉ ZLÚČENINYV ZOBRAZOVACÍCH TECHNOLÓGIÁCH

20. KVAPALNÉ KRYŠTÁLY (LC) 3. ORGANICKÉ ZLÚČENINYV ZOBRAZOVACÍCH TECHNOLÓGIÁCH Fázové premeny kryštálu tvoreného molekulami tyčinkovitej geometrie

21. KVAPALNÉ KRYŠTÁLY (LC) 3. ORGANICKÉ ZLÚČENINYV ZOBRAZOVACÍCH TECHNOLÓGIÁCH Princíp ovládania svetelného signálu v LCD

22. KVAPALNÉ KRYŠTÁLY (LC) 3. ORGANICKÉ ZLÚČENINYV ZOBRAZOVACÍCH TECHNOLÓGIÁCH Schéma TFT-LCD obrazovky

23. ORGANICKÉ SVETLOVYŽARUJÚCE DIÓDY (OLED) 3. ORGANICKÉ ZLÚČENINYV ZOBRAZOVACÍCH TECHNOLÓGIÁCH Princíp elektroluminiscencie a konštrukcia obrazovky

24. ORGANICKÉ SVETLOVYŽARUJÚCE DIÓDY (OLED) 3. ORGANICKÉ ZLÚČENINYV ZOBRAZOVACÍCH TECHNOLÓGIÁCH Výroba obrazoviek Nanášanie roztoku atramentovou tlačou Červená: PPV s prímesou rodamínu Modrá: poly(dialkylfluorén) Zelená: PPV

25. KLASICKÉ POČÍTAČE NA BÁZE KREMÍKOVÝCH PROCESOROV 4. ORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MOLEKULOVÉ POČÍTAČE Údaje sú spracovávané elektronicky systémom mikroprocesorov v dvojkovej sústave (0 a 1). V dvojkovej sústave sú aj ukladané do pamäte. Prahové hodnoty napätie a logická konvencia: pozitívna logická konvencia – 0 (~ 1 V, pod prahovou hodnotou 2 V) 1 (~ 3 V, nad prahovou hodnotou 2 V) negatívna logická konvencia – opačné priradenie Mikroprocesor počítača obsahuje sériu logických obvodov, ktoré spracujú vstupné signály na výstupné. KONCEPCIA MOLEKULOVÝCH POČÍTAČOV Podobný princíp (spracovanie a ukladanie údajov v dvojkovej sústave), kde by jednotlivé molekuly dokázali spracovávať alebo uchovávať informáciu. Molekuly majú byť prepínateľné medzi dvoma stavmi a je potrebné zvládnuť technológiu čítania ich stavov. Prepínanie: fotochemicky (vstupný signál je svetelný) alebo elektrochemicky (vstupný signál je elektrické napätie) Čítanie: pomocou optických metód (či absorbujú svetlo alebo po absorbcii svetlo vyžarujú pri danej vlnovej dĺžke). Absorbcia alebo vyžarovanie svetla pri danej vlnovej dĺžke nad prahovú hodnotu intenzity - informácia vo forme 1, pod prahovou hodnotou intenzity vo forme 0.

26. LOGICKÉ OBVODY 4. ORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MOLEKULOVÉ POČÍTAČE Príklad logického obvodu funkcie XNORa jeho pravdivostná tabuľka Boleanovskej logiky

27. LOGICKÉ OBVODY 4. ORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MOLEKULOVÉ POČÍTAČE 3 nm x 4 nm – miliónkrát menší ako polovodičový logický prvok na báze kremíkového polovodiča Dióda-dióda a logický obvod OR

28. PAMÄŤOVÉ MÉDIÁ 4. ORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MOLEKULOVÉ POČÍTAČE Fotochemická premena zlúčeniny medzi dvoma stavmi (A a B)

29. PAMÄŤOVÉ MÉDIÁ 4. ORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MOLEKULOVÉ POČÍTAČE Fotochemické prepínanie diaryleténového derivátu Ukladanie informácie: UV svetlom Čítanie informácie: fluorescencia excitáciou pri 400-500 nm Vymazanie informácie: svetlom pri vyššej vlnovej dĺžke Rýchlosť prepnutia: ps Odolnosť voči únave: >104 cyklov

30. PAMÄŤOVÉ MÉDIÁ 4. ORGANICKÉ ZLÚČENINYPRE MOLEKULOVÉ POČÍTAČE Fotochemické prepínanie binaftylového derivátu Ukladanie informácie:UV svetlom Čítanie informácie:CD spektroskopiou Vymazanie informácie:svetlom pri vyššej vlnovej dĺžke 75° 100°

31. SOLÁRNE ČLÁNKY 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU Separácia náboja fotochemickou aktiváciou t ~ 1-10 ms

32. SOLÁRNE ČLÁNKY 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU Separácia náboja fotochemickou aktiváciou • Možnosti využitia preneseného elektrónu: • prenos na elektródu – generovanie elektrického napätia – solárne elektrické články • prenos na katalytický systém – redoxné reakcie (napr. fotolýza vody) – solárne palivové články

33. SOLÁRNE ELEKTRICKÉ ČLÁNKY 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU Fotoindukovaný prenos elektrónov na nanočastice TiO2 1: polčas života 30 ns 2: polčas života 0,3 ns, 40 % účinnosť - konkurenčná rekombinácia náboja (3) 4: pomalá rekombinácia náboja - polčas života v ms (105-krát pomalšie)

34. SOLÁRNE PALIVOVÉ ČLÁNKY 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU • Príroda – premena svetelnej energie na chemickú: • vo forme ATP: vyvolanie gradientu koncentrácie H+ (svetlom poháňaná pumpa) a prúdenie H+ cez bunkovú membránu roztočí ATP-syntetázu (baktérie), • redukcia CO2 na cukor (zelené rastliny)

35. SOLÁRNE PALIVOVÉ ČLÁNKY 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU • Príroda – premena svetelnej energie na chemickú: • vo forme ATP: vyvolanie gradientu koncentrácie H+ (svetlom poháňaná pumpa) a prúdenie H+ cez bunkovú membránu roztočí ATP-syntetázu (baktérie), • redukcia CO2 na cukor (zelené rastliny)

36. SOLÁRNE PALIVOVÉ ČLÁNKY 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU Model umelého palivového článku: fotolýza vody na H2 a O2

37. LASEROVÉ TECHNOLÓGIE 5. ORGANICKÉ ZLÚČENINY PRE OPTOELEKTRONIKU Laserové žiarenie: monochromatické svetlo s vysokou intenzitou Využitie: v chirurgii, moderných telekomunikáciách, pri optickom spracovaní dát, ultrarýchlom spracovaní obrazu, holografii a pod. Modifikácia laserového žiarenia (napr. vo frekfencii): interakciou žiarenia s polárnymi zlúčeninami, ktoré majú nelineárne optické vlastnosti