Οπτοηλεκτρονικές διατάξεις οργανικών ημιαγωγών ως λειτουργικά μέρη μικροσυστημάτων ανίχνευσης και αποθήκευσης πληροφορίας
Authors: Κατσογριδάκης Χαράλαμπος 
Published: October 2023

Η χρήση των οργανικών ημιαγωγών ως μερών λειτουργικών διατάξεων ξεκινάει σε ερευνητικό επίπεδο περίπου στα 1980. Η επιστήμη και τεχνολογία των ημιαγώγιμων και αγώγιμων πολυμερών και η εφαρμογή τους σε κατασκευή λειτουργικών διατάξεων είναι εκ φύσεως ένα διεπιστημονικό θέμα. Εμπίπτουν στη διασταύρωση τριών καθιερωμένων επιστημονικών περιοχών, της χημείας, της φυσικής και της μηχανικής. Οι οργανικοί ημιαγωγοί ως μακρομοριακά υλικά συντίθενται με μεθόδους της οργανικής χημείας. Η ηλεκτρονική δομή των μορίων και οι ηλεκτρονικές τους ιδιότητες εμπίπτουν στον τομέα της φυσικής στερεάς κατάστασης και τέλος η αποτελεσματική επεξεργασία των συζυγιακών πολυμερών για την εφαρμογή τους σε λειτουργικές ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις εμπίπτουν στον τομέα της μηχανικής των υλικών και της φυσικής των διατάξεων.Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η διερεύνηση της δυνατότητας καινοτόμων εφαρμογών των οργανικών ημιαγωγών ως λειτουργικών μερών διατάξεων για τη ανίχνευση και αποθήκευση πληροφορίας. Για την επίτευξη αυτού του στόχου κατασκευάζονται διάφορες ηλεκτρονικές διατάξεις, όπως πυκνωτές τύπου Μέταλλο-Μονωτής-Ημιαγωγός (Metal-Insulator-Semiconductor, MIS), οργανικά τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Organic Field Effect Transistor, OFET) αλλά και ηλεκτρονικές διατάξεις δύο τερματικών. Κοινό των διατάξεων που αναφέρθηκαν είναι, αφενός, η χρήση οργανικού ημιαγωγού και, αφετέρου, η χρήση αλάτων τριαρυλοσουλφωνίου στο διηλεκτρικό μέρος της διάταξης, ή απλώς ως μέρος αυτής στην περίπτωση των διατάξεων δύο-τερματικών. Τα άλατα τριαρυλοσουλφωνίου είναι μια ενδιαφέρουσα κατηγορία ιοντικών υλικών που έχουν τη δυνατότητα να παράγουν οξύ μέσω μιας φωτοχημικής αντίδρασης. Η κύρια εφαρμογή τους βρίσκεται στο πεδίο της φωτολιθογραφίας ως φωτοευαισθητοποιητών, ενώ έχουν χρησιμοποιηθεί και σε διατάξεις οργανικών διόδων εκπομπής φωτός βελτιώνοντας τα χαρακτηριστικά τους. Στην παρούσα διατριβή τα άλατα τριαρυλοσουλφωνίου χρησιμοποιούνται ως ουσίες που εισφέρουν στην ανίχνευση ακτινοβολίας και στη συνέχεια μεταβάλλουν τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των διατάξεων με μετρήσιμο τρόπο μέσω του ηλεκτρικού χαρακτηρισμού των διατάξεων. Αρχικά έγινε μια προκαταρκτική μελέτη, κυρίως φυσικοχημικών χαρακτηρισμών, των υμενίων και άλλων υλικών που επρόκειτο να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των ηλεκτρονικών διατάξεων. Χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι φασματοσκοπίας ορατού-υπεριώδους και υπερύθρου για το χαρακτηρισμό των υμενίων του οργανικού ημιαγωγού και του διηλεκτρικού υμενίου. Μελετήθηκε η επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας στο φάσμα ορατού-υπεριώδους του οργανικού ημιαγωγού καθώς και η φωτοχημική παραγωγή οξέος από τα άλατα τριαρυλοσουλφωνίου. Με τις ίδιεςxvμεθόδους χαρακτηρίστηκαν πολυστρωματικές δομές που μετέπειτα χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή των ηλεκτρονικών διατάξεων.Κατόπιν, πραγματοποιήθηκε η κατασκευή διατάξεων πυκνωτών τύπου MIS. Οι διατάξεις αυτές επιλέχτηκαν ως πρώτο βήμα καθώς είναι περισσότερο απλοϊκές στη λειτουργία τους σε σχέση με διατάξεις 3-τερματικών, όπως είναι τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Μέσα από τον ηλεκτρικό τους χαρακτηρισμό μελετήθηκε η επίδραση της φωτοχημικής αντίδρασης παραγωγής οξέος από τα άλατα τριαρυλοσουλφωνίου στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Πιο συγκεκριμένα, δόθηκε βάρος στην υστέρηση των χαρακτηριστικών που καταγράφεται μετά την έκθεση σε ακτινοβολία και στην ποσοτικοποίηση αυτής για τον προσδιορισμό της δόσης της ακτινοβολίας. Στη συνέχεια κατασκευάστηκαν διατάξεις δύο-τερματικών όπου εξετάστηκε η μεταβολή της αγωγιμότητας του οργανικού ημιαγωγού μετά την έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία. Σημαντικό μέρος της συγκεκριμένης μελέτης ήταν και η σε μεγαλύτερο βάθος κατανόηση των διεπιφανειακών φαινομένων που εμφανίζονται κατά την επαφή μετάλλου-ημιαγωγού καθώς και των φαινομένων που σχετίζονται με την κίνηση των ιόντων στο σύνθετο πολυμερικό υμένιο που χρησιμοποιήθηκε. Εξετάστηκαν διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν την αγωγιμότητα της διάταξης, όπως το μέγεθος των ιόντων που χρησιμοποιούνται, η προηγούμενη χημική επεξεργασία των ηλεκτροδίων της διάταξης καθώς και το υλικό από το οποίο αποτελούνται τα ηλεκτρόδια. Τέλος, κατασκευάστηκαν διατάξεις τύπου OFET, τριών-τερματικών όπου μελετάται η επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της διάταξης και διαπιστώνεται ο ακριβής τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ. Μελετώνται, επίσης, διάφοροι παράγοντες όπως η επίδραση της θερμοκρασίας ανόπτησης του διηλεκτρικού στρώματος, η επίδραση του μεγέθους των ιοντικών ειδών, η συγκέντρωση του άλατος στην πολυμερική μήτρα και η επίδραση διαφορετικής πολυμερικής μήτρας. Συμπερασματικά, η χρήση των αλάτων τριαρυλοσουλφωνίου σε συνδυασμό με τον οργανικό ημιαγωγό σε ηλεκτρονικές διατάξεις διαφόρων τύπων για την επίτευξη λειτουργικών σκοπών όπως π.χ. η ανίχνευση και δοσιμέτρηση της ακτινοβολίας παρουσιάζει πολλές προκλήσεις. Όπως αναφέρθηκε και στην αρχή, η σύγκλιση μεταξύ διαφορετικών επιστημονικών τομέων είναι απαραίτητη σε όλα τα επίπεδα κατασκευής μια λειτουργικής διάταξης. Από τη επιλογή των υλικών, την κατανόηση φαινομένων από το μοριακό ή νάνο- επίπεδο που κυριαρχεί π.χ. στις διεπιφάνειες μέχρι πιο μακροσκοπικά φαινόμενα όπως π.χ. η αντίσταση επαφής στο οργανικό τρανζίστορ καθιστά το θέμα συναρπαστικό και ελκυστικό για να το μελετήσει κανείς σε όλα τα επίπεδα.