Επεξεργασία λεπτών υμενίων οργανικών ημιαγωγών και διαφανών ηλεκτροδίων για οργανικές ηλεκτρονικές διατάξεις με χρήση τεχνικών laser.
Creators: name: Λάσπας, Ιωάννης Φωτίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Λέιζερ
Υμένια
Εγχαράξεις
Laser
Films
Scribes

description: Η κατεργασία της επιφάνειας λεπτών υμενίων οργανικών ημιαγωγών και διαφανών ηλεκτροδίων, με χρήση τεχνικών laser προσελκύει όλο και περισσότερο το ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, λόγω των πλεονεκτημάτων της και των πολλαπλών εφαρμογών της. Οι τεχνικές αυτές περιλαμβάνουν πλήθος διεργασιών όπως αποδόμηση ποσότητας υλικού, εναπόθεση υλικού και εγχάραξη επιφανειών. Από τις τεχνικές αυτές, η προσοχή μας εστιάζεται στις τεχνικές εγχάραξης λεπτών υμενίων από ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία laser για την παρασκευή οργανικών ηλεκτρονικών διατάξεων και κυρίως οργανικών φωτοβολταϊκών (OPVs). Στα πλαίσια του θεωρητικού μέρους της ερευνητικής αυτής εργασίας, περιγράφτηκε η φυσική της ακτινοβολίας του laser, οι ιδιότητες των δεσμών του, καθώς και τα γενικά κατασκευαστικά στοιχεία του laser. Έγινε αναφορά στους τύπους laser καθώς και στον τρόπο παραγωγής αυτού του είδους της ακτινοβολίας. Στη συνέχεια περιγράφτηκαν οι ιδιότητες των υλικών των οργανικών ημιαγωγών, τα οποία υφίστανται εγχάραξη με ακτινοβολία laser, κατά την κατασκευή των οργανικών φωτοβολταϊκών (OPVs) και των δύο βασικών δομών (κανονικής και ανεστραμμένης διάταξης). Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ανάλυση της αλληλεπίδρασης του laser με την ύλη κατά τη διεξαγωγή των εγχαράξεων. Η αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-ύλης επηρεάζεται άμεσα από του μηχανισμούς διάδοσης και απορρόφησης της ενέργειας της ακτινοβολίας του laser στο εσωτερικό των υλικού των υπό εγχάραξη υμενίων. Επίσης, περιγράφτηκαν και αναλύθηκαν λεπτομερώς οι τρεις βασικοί τύποι εγχαράξεων P1, P2 και P3 που απαιτείται να διεξαχθούν με παλμική ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία laser κατά την κατασκευή οργανικών ηλεκτρονικών διατάξεων. Τέλος, αναφέρθηκαν και αναλύθηκαν ως κάποιο βαθμό οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την εγχάραξη των λεπτών υμενίων από παλμική ακτινοβολία laser. Τέτοιοι παράγοντες είναι η ροή της ακτινοβολίας, το μήκος κύματος, η χρονική διάρκεια και ο ρυθμός επανάληψης των παλμών, η ενέργεια και η ισχύς της ακτινοβολίας, η θέση εστίασης των δεσμών, η κατάσταση πόλωσης της ακτινοβολίας, οι ιδιότητες των υλικών των υπό εγχάραξη υμενίων, καθώς και οι περιβαλλοντικές συνθήκες του χώρου στον οποίο διεξάγονται οι εγχαράξεις. Στα πλαίσια του πειραματικού μέρους της ερευνητικής αυτής εργασίας, ο στόχος που επιτεύχθηκε ήταν η εύρεση των βέλτιστων πειραματικών συνθηκών (παραμέτρων) που εξασφαλίζουν τη δημιουργία υψηλής ποιότητας εγχαράξεων στην επιφάνεια λεπτών υμενίων-στρωμάτων που χρησιμεύουν στη σύνθεση οργανικών φωτοβολταϊκών (OPVs). Μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν εγχαραγμένα δείγματα λεπτών υμενίων ημιαγώγιμων πολυμερών πάνω σε υποστρώματα από πολυμερές PET, από ακτινοβολία laser παλμών της τάξης των ns, ps και fs. Οι εγχαράξεις που μελετήθηκαν είναι κυρίως τύπου P1 και P3 και εξετάστηκαν από οπτικό και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Επίσης, σε ορισμένες εγχαράξεις διεξήχθη και φασματοσκοπική τεχνική ενεργειακής διασποράς ακτίνων Χ (EDX), προκειμένου να εξεταστεί αν απομακρύνθηκε ποσότητα υλικού στα σημεία εγχάραξης, βασιζόμενοι στην εναπομείνασα ποσότητα (weight %) των συστατικών των υλικών που αποσπάστηκαν κατά τη διεξαγωγή των εγχαράξεων. Τέλος, έγινε μία συνοπτική αναφορά και στο σύστημα κατεργασίας (εναπόθεσης, εκτύπωσης και εγχάραξης) λεπτών υμενίων οργανικών ημιαγωγών και διαφανών ηλεκτροδίων με την τεχνική roll to roll για την παρασκευή εύκαμπτων, οργανικών ηλεκτρονικών διατάξεων, καθώς και στο ενσωματωμένο σύστημα εγχάραξης λεπτών υμενίων με ακτινοβολία laser, παλμών της τάξης των ps.
description: The process of the surface of thin films of organic semiconductors and transparent electrodes by using laser techniques attracts more and more the interest the last years because of its advantages and its multiple applications. These techniques include a great number of processes like ablation of material, deposit of material and surface scribing. Of these techniques, we are more interested in techniques of scribing thin films by using visible and infrared laser radiation for the production of organic electronic devices and mainly for the production of organic Photovoltaics (OPVs). In theoretical part of this research paper, we describe the physics of the laser radiation, the properties of its beams, as well as the components of a device producing laser radiation. We referred to the existing types of lasers, as well as to the manner by which this kind of radiation is produced. Then, we described the properties of materials of organic semiconductors, which are scribed by laser radiation during the construction of organic Photovoltaics (OPVs), both, OPVs with normal structure and OPVs with inverted structure. Particular emphasis was given to the study of laser interaction with matter, during the laser scribing process. Laser interaction with matter is influenced to a great extent by the mechanisms of propagation and absorption of the energy of the laser radiation in the interior of the material of the thin films that are scribed. We also described and analyzed in details the three basic types of scribes (P1, P2 and P3), which are required to be conducted by using visible and infrared pulse laser radiation, during the manufacture of organic electronic devices. We also referred to and analyzed to some extent the basic parameters which affect the scribes of thin films created by pulse laser radiation. These parameters are the radiation flux, the wavelength, the pulse duration and the pulse repetition rate, the focus position of the beams, the polarization state of the radiation, the properties of the materials of the scribed thin films, as well as the environmental conditions of the space in which the scribes are conducted. In the experimental part of this research paper, we succeeded in finding the optimal experimental conditions (parameters), which lead to the formation of scribes of high quality in the surface of the thin films which form an organic Photovoltaic device (OPV). We studied and evaluated samples of scribed thin films of semi conductive polymers developed on substrates of PET. These samples were scribed by laser radiation with pulse duration of the order of ns, ps and fs. The scribes which were studied are mainly the type of P1 and P3 and they were examined by using optical microscope and scanning electron microscope (SEM). We conducted also the spectroscopic technique of energy dispersive X-ray (EDX) on some scribes in order to evaluate the extent of material removal in specific areas surrounding the scribes. This evaluation was based on the residual quantity (weight %) of the components of the materials which were detached during the conduct of the scribes. Finally, we made a short reference to the system which processes (thin films of organic semiconductors and transparent electrodes, using the roll to roll technique for the production of flexible, organic, electronic devices, as well as a reference to the integrated laser engraving system, which scribes the surface of thin films, by using laser radiation with pulses of ps.