Органические полупроводники
В последние годы много работ было проведено по органическим полупроводникам, которые представляют собой преимущественно полимерные материалы, содержащие молекулы с системой сопряженных связей. Вначале предполагалось, что если удастся получить непрерывную цепь из атомов углерода с сопряженными связями, то такие молекулы будут обладать сверхпроводимостью:
... - С = С - С = С- С = С -...
Такой материал был получен полимеризацией ацетилена, он называется полиацетилен, это полупроводник, твердый материал черного цвета, выпускается в виде пластин толщиной 1-2 мм. Применяется как радиопоглощающий материал.
Допирование ПАц пентафторидом мышьяка (АsF5) привело к повышению электропроводности от 0,01 См/см до 100 См/см.
Были синтезированы также полимерные полупроводники:
полианилин -С6Н4-NH-С6Н4- с электропроводностью 330 См/м,
полипиррол(–С4H2NH- )
с электропроводностью 754 См/м
политиофен (формула таже, что и ППи, но вместо группы –NH- стоит –S-).
полипарафениленвинилен (ПФВ)
Усилия синтетиков были сконцентрированы на получении полимеров, которые можно получать химически чистыми, морфологию которых можно контролировать, ориентировать, получать пленки. В результате сейчас вышеприведенные полимеры, а также полипарафенилвинилен, полифлуорен выпускают в промышленных масштабах.
Допирование полимерных полупроводников проводят донорами или акцепторами с образованием поляронов или биполяронов. Полимерные полупроводники могут быть аморфными, кристаллическими, образуя вытянутые кристаллы или фибриллы.
Два типа полупроводниковых приборов показаны на рис. : полевой транзистор на основе ПАц и светодиод на основе полипарафениленвинилена (ПФВ).
Введением дополнительных органических добавок достигают высокой проводимости. Органические полупроводники используются также как химически стойкие электродные материалы, особенно в элементах питания.
Разработаны и выпускаются полимерные дисплеи в том числе на гибкой основе (ПЭТФ пленка).
Ниже на рис. показано устройство полевого транзистора на основе полиацетилена и светодиода на основе полифениленвинилена.
Разработаны полимерные солнечные элементы для преобразования солнечных лучей в электричество.
В печати появились сообщения о разработке (фирмой Филлипс) технологии получения различных полупроводниковых приборов на платах - пластинках из органических полупроводников. Все процессы химические, реакции получения диодов, транзисторов и проводников идут преимущественно в водных растворах, а не в вакууме, как в неорганических полупроводниках. Микросхемы из органических ПП отличаются медленной работой (килогерцы), но они пригодны для работы в исполнительных механизмах, в бытовой технике, игрушках и др. областях, где не требуется очень высокое быстродействие.
Глава 6. Светоизлучающие материалы
(люминофоры и лазеры)
Люминофоры. Люминесценция - нетепловое электромагнитное излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для осуществления люминесценции необходимо возбуждение. Вещества, способные люминесцировать, называются люминофорами, часто это полупроводники с широкой запрещенной зоной, в которые вводят примесные атомы - активаторы люминесценции.
Примеры люминофоров - кристаллические вещества ZnS (Mn2+), Al2O3 (Cr3+).В скобках указаны допанты - активаторы люминесценции. Активаторы создают в запрешенной зоне рабочего тела метастабильный уровень, на котором накапливаются электроны, попадающие сюда вследствие возбуждения из валентных уровней. Переход (скачок) электрона из этого уровня (энергетический уровень Э1) обратно в валентную зону (Э2) сопровождается выделением фотона. Видимое излучение возможно, когда разница энергий электронов на метастабильном уровне и в валентной зоне Э=Э1-Э2 больше 1,7 эВ. Для перехода электрона из валентного на метастабильный уровень необходимо возбуждение, которое достигается ультрафиолетовым излучением, иногда механической обработкой.
Люминесценция происходит также в предпробивных полях, например, в ZnS.
Лампы дневного света состоят из стеклянных трубок, заполненных парами ртути; на внутренней поверхности трубок нанесен люминофор - вещество, содержащее ZnS. в результате электрического разряда в парах ртути излучается ультрафиолет, возбуждающий электроны в люминофоре, свечение которого мы и наблюдаем.
Если процесс излучения (люминесценции) происходит спонтанно, то это просто люминесценция. Если излучение когерентно, то это лазер.
Материалы для твердотельных лазеров.
Лазер - название по первым буквам английского наименования Light amplification by stimulated emission of radiation (Laser).Прибор для вынужденного стимулированного излучения, при котором атомами oдновременно испускаются согласованные и по частоте и по фазе фотоны под действием электромагнитного поля.
Лазер состоит из рабочего тела, оптического резонатора и системы оптической накачки. Рабочее тело может быть кристаллическим или стеклообразным (аморфным) с активаторами люминесценции.
В твердотельных лазерах рабочее тело имеет вид цилиндрического стержня с точно обработанными торцевыми поверхностями. Для накачки используются мощные газоразрядные лампы. Оптическим резонатором служат два плоскопараллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно, расположенные на торцах цилиндра.
Рабочее тело должно быть оптически прозрачным, обладать высокой теплопроводностью, оптической однородностью, высокой нагревостойкостью и механической прочностью. Таким материалом является, например рубин (-Al2О3 допированный ионами Cr3+ в виде примеси 0,05% Cr2О3), иттрий-алюминиевый гранат, допированный ионами неодима (Y3Al5O12 + Nd3+), стекло, допированное ионами неодима. Активатор должен иметь широкую полосу поглощения и узкую интенсивную полосу (линию) люминесценции; должен иметь возбужденные метастабильные уровни с большим временем жизни. В рубиновой лазере ионы хрома создают в запрещенной зоне корунда систему энергетических уровней. Если к такой системе прилоржить электромагнитное поле с частотой, соответствующей частоте перехода Э2-Э1, то испускание света будет одновременное, совпадающеее по фазе, по времени и по длине волны.