DOC. MGR. IVAYLO ZHIVKOV, PH.D.

Projekt: OPTIMOLEL - Optimalizace depozice tenkých vstev pro molekulární elektronické přístroje

Školitel: doc.Ing.Martin Weiter, Ph.D.

Hostitelská instituce: Ústav fyzikální a spotřební chemie, Fakulta chemická VUT

Země původu: Bulharsko

Délka projektu: 18 měsíců

Panel: Chemie

Abstrakt:

Projekt je zaměřen na vývoj technologie pro přípravu organických elektronických zařízení, jako jsou organické solární články, plastové osvětlovací zařízení, senzory, detektory a další elektronické zařízení. Funkce těchto zařízení je založena na aktivní organické vrstvě. Tyto organické (například polymerní) vrstvy jsou obvykle velmi tenké (pod 1 mikrometr) a mohou být připraveny metodami velkosériové produkce jakou je například tisk. Proto organická elektronická zařízení mohu být velmi levná a tak konkurenceschopná svým standardním anorganickým protějškům.
Hlavní odborným a technologickým důvodem pro realizaci projektu je potřeba zlepšení a vývoje metod pro depozici a charakterizaci organických materiálů s cílem dosáhnout aplikační úrovně. Jedním z hlavních problémů k řešení je kvalita a reprodukovatelnost organických tenkých vrstev pro elektronické aplikace, stabilita a životnost vyráběných zařízení.  Mezi socioekonomické důvody pro realizaci projektu patří velká poptávka po nových zdrojích energie a efektivních zdrojích světla, jaké představují organické solární články a plastová osvětlovací zařízení s nízkou výrobní cenou a příznivé k životnímu prostředí.
Předkládaný projekt zahrnuje spolupráci mezi chemicky orientovanou hostitelskou organizací a fyzikálně a inženýrsky orientovaným hostujícím vědcem. Navrhovaný výzkum je zaměřen na zlepšení technologie přípravy tenkých vrstev za pomocí optimalizace stávajících depozičních technik (rotační nanášení, namáčení, elektroforetická depozice) a zavedení nové techniky sprejového nanášení. Očekáváme, že využití nové depoziční techniky urychlí komerční použití organických polovodičů. Rovněž očekáváme, že zkušenosti výzkumníka v oblasti elektrických měření a sběru dat přispějí k vývoji metod pro charakterizaci materiálů.

Fotografie:

1.-3.  práce s PhD studenty v laboratoři

2. Constructed electrophoretic cell and a (red colored) organic film deposited

4.  Looking at the Nano World: Atom Force Microscopy (AFM) image of the films prepared, scanned area of 50x50 micrometers.  Do not worry! The "himalayan hills" you saw are of less than 40 nanometers height, i. e. the height was magnified about one million times by AFM before posting here

Aktivity v projektu

Byla provedena analýza parametrů navrhovaných nanášecích zařízení, vyvinuty potřebné blokové diagramy a bylo zkonstruováno a otestováno zařízení pro elektroforetické nanášení – elektroforetická cela s nepohyblivými elektrodami, zároveň byl využit odlišný typ elektroforetické cely s pohyblivými elektrodami, založený na předchozí práci výzkumného pracovníka. Jako vhodné materiály byly vybrány poly[2‐ methoxy‐5‐(3′,7′‐dimethyloktyloxy)‐1,4‐ fenylenvinylen] (MDMO‐PPV), poly(parafenylenvinylen) s vysokou teplotou skelného přechodu (Tg‐PPV) a diketopyrrolopyrroly

(DPP).

Zároveň byly také zkoumány pomocné metody nanášení, jako například rotační nanášení (spin‐coating) a vrstvy nanesené různými metodami byly podrobeny srovnání. Roztoky a suspenze prekurzorů i již nanesené tenké vrstvy byly charakterizovány pomocí metod optické spektrometrie a fluorimetrie, dynamického rozptylu světla (DLS), optické aberace, mikroskopie atomových sil (AFM) a elektrických měření.

Výsledky projektu
Bylo zjištěno, že parametry srážení v průběhu vzniku suspenze mohou být odhadnuty pomocí měření rozšíření píku a posunů ve vlnové délce maxima absorpce. Tyto výsledky byly podpořeny experimenty s DLS, kde byla zjištěna velikost suspendovaných částic okolo cca 90 nm. Vývoj velikostí částic po růstu tenké vrstvy z připravené suspenze byl studován pomocí AFM. Byl zjištěn úbytek velikosti částic ve vrstvě, pravděpodobně z důvodu částečného rozpouštění vrstvy toluenem, přítomným v suspenzi. Studie srovnávající morfologii elektroforeticky a rotačně nanesených povrchů ukázala, že rotačně nanesené vrstvy mají hladší a jednotnější povrch, ovšem voltamperometrická měření připravených solárních článků na bázi ITO|MDMO‐PPV|Al s rotačně nanesenou vrstvou MDMO‐PPV neprokázala souvislost uniformity struktury a morfologie vrstvy s lepšími elektrickými vlastnostmi. Struktury s rotačně nanesenými vrstvami se chovaly podobně jako fotorezistory, zatímco struktury s elektroforeticky nanesenými vrstvami prezentovaly vlastnosti typické pro solární články. Tato provedená elektrická měření jsou prvním stupněm k uvedení molekulárních zařízení na aplikační úroveň.

Výstupy projektu
Výsledky získané v rámci projektu byly prezentovány na 7 konferencích (z toho čtyřikrát ve formě posteru a třikrát ve formě přednášky). Výsledky byly publikovány již v jednom článku, další článek byl zaslán k publikaci, dva články jsou rozpracovány. Záměr, aktivity a výsledky projektu jsou prezentovány rovněž na vytvořené webové stránce projektu
http://www.facebook.com/media/set/?set=a.177088605709667.45360.177077222377472&type=1#!/pages/SoMoPro-SIGA‐885‐O‐P‐T‐I‐M‐O‐L‐E‐L‐project/177077222377472 . Byla vypsána pozice pro jednoho doktoranda, pod vedením zodpovědné osoby, přičemž konzultantem doktorské práce je výzkumný pracovník. Dále byla navázána spolupráce mezi hostitelskou institucí a třemi dalšími vědeckými organizacemi z České republiky (zejména z Jihomoravského kraje) a dvěma vědeckými organizacemi ze země výzkumného pracovníka. Nejméně sedm vědců se podílelo na experimentech i na vzdělávání výzkumného pracovníka. Výzkumný pracovník pak přispívá ke vzdělání a výchově cca osmi doktorandů a studentů. Navíc byly podepsány dvě bilaterální smlouvy programu Erasmus pro výměnu studentů a hostitelská instituce přijala tři „erasmové” studenty ze země výzkumného pracovníka. Jeden doktorand ze země hostitelské instituce absolvoval studijní pobyt v zemi původu výzkumného pracovníka. Výzkumný pracovník přispívá k transferu znalostí o elektroforetickém nanášení vyplývajících zejména z rešerší japonské literatury do prostředí Evropského společenství.

Dosavadní průběh projektu II:

Aktivity v projektu

Byla provedena analýza parametrů navrhovaných nanášecích zařízení, vyvinuty potřebné blokové diagramy a bylo zkonstruována a otestována zařízení pro elektroforetické i sprejové nanášení, jako například elektroforetická cela s nepohyblivými elektrodami, zároveň byl využit odlišný typ elektroforetické cely s pohyblivými elektrodami, založený na předchozí práci výzkumného pracovníka. Z hlediska sprejového nanášení bylo použito výzkumným pracovníkem pro komerční účely již dříve zkonstruované zařízení, které bylo modifikováno a vylepšeno pro vyvinuté koncepty sprejového nanášení a pro výukové a výzkumné účely poskytnuto hostitelské organizaci. Jako vhodné materiály byly vybrány poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloktyloxy)-1,4-fenylenvinylen] (MDMO-PPV), poly (parafenylenvinylen) s vysokou teplotou skelného přechodu (Tg-PPV) a diketopyrrolopyrroly(DPP). Zároveň byly také zkoumány pomocné metody nanášení, jako například rotační nanášení (spin-coating) a vrstvy nanesené různými metodami byly podrobeny srovnání. Roztoky a suspenze prekurzorů i již nanesené tenké vrstvy byly charakterizovány pomocí metod optické spektrometrie a fluorimetrie, dynamického rozptylu světla (DLS), optické aberace a mikroskopie atomárních sil (AFM).

Testy úrovně použitelnosti vzorků byly provedeny pomocí elektrické charakterizace tenkých organických vrstev s výsledkem, že deponované vrstvy mohou být zařazeny mezi budoucí organická elektronická zařízení.

Výsledky projektu

Bylo zjištěno, že parametry srážení v průběhu vzniku suspenze mohou být odhadnuty pomocí měření rozšíření píků a posunů ve vlnové délce maxima absorpce. Tyto výsledky byly podpořeny experimenty s DLS, kde byla zjištěna velikost suspendovaných částic okolo cca 90 nm. Vývoj velikostí částic po růstu tenké vrstvy z připravené suspenze byl studován pomocí AFM.

Byl zjištěn úbytek velikosti částic ve vrstvě, pravděpodobně z důvodu částečného rozpouštění vrstvy toluenem, přítomným v suspenzi. Tenké vrstvy byly nanášeny z roztoků obsahujících různé koncentrace acetonitrilu. Hrubost vrstev byla vypočítána použitím softwaru k AFM. Dvě metody výpočtu poskytly výsledky od 1 to 16 nm a od 1 do 22 nm, tyto jsou řízeny zvyšováním množství acetonitrilu od 50 do 90 %, což je krokem k aplikační úrovni této metody. Studie srovnávající morfologii elektroforeticky a rotačně nanesených povrchů ukázala, že rotačně nanesené vrstvy mají hladší a jednotnější povrch, ovšem voltamperometrická měření připravených solárních článků na bázi ITO|MDMO-PPV|Al s rotačně nanesenou vrstvou MDMO PPV neprokázala souvislost uniformity struktury a morfologie vrstvy s lepšími elektrickými vlastnostmi.

Struktury s rotačně nanesenými vrstvami se chovaly podobně jako fotorezistory, zatímco struktury s elektroforeticky nanesenými vrstvami prezentovaly vlastnosti typické pro solární články. Postupy a nastavení sprejového nanášení byly poskytnuty výzkumným pracovníkem hostitelské organizaci, přičemž byly implementovány nové přístupy a byl vyvinut nový software pro řízení sprejového nanášení pomocí počítače. Zařízení dokáže stabilně udržovat teplotu s výkyvy menšími než ±1oC a poskytuje lineární gradient teploty substrátu o hodnotě 1oC/mm. Sprejové nanášení MDMO-PPV na skleněný substrát v teplotním gradientu ukázalo, že materiál MDMO-PPV jeví tendenci k síťování a tvorbě poruch mezi vlákny v síti. Zvýšení teploty snižuje velikost poruch a zvyšuje pokrytí substrátu. Spektrální závislost fotoproudu měřená bez přiložení napětí na elektrody je výsledkem fotogenerovaných nosičů náboje, což je jasným důkazem potenciální aplikovatelnosti sprejem nanášených vrstev v organických fotovoltaických článcích. Provedená elektrická měření jsou tak prvním krokem experimentů vedoucích k povýšení těchto molekulárních zařízení na aplikační úroveň.

Výstupy projektu

Zaměstnanci a studenti hostitelské instituce byli proškoleni ve sprejových a elektroforetických technikách nanášení tenkých organických vrstev. Výsledky získané v rámci projektu byly prezentovány na 7 konferencích (prostřednictvím 4 posterových sdělení a 3 přednášek) byly vydány dva články, další byl poslán k publikaci a tři články jsou v přípravě.

 Byla vypsána pozice pro jednoho doktoranda, pod vedením zodpovědné osoby, přičemž konzultantem doktorské práce je výzkumný pracovník. Dále byla navázána spolupráce mezi hostitelskou institucí a třemi dalšími vědeckými organizacemi z České republiky (zejména z Jihomoravského kraje) a dvěma vědeckými organizacemi ze země výzkumného pracovníka. Nejméně sedm vědců se podílelo na experimentech i na vzdělávání výzkumného pracovníka. Výzkumný pracovník pak přispívá ke vzdělání a výchově cca osmi doktorandů a studentů. Navíc byly podepsány dvě bilaterální smlouvy programu Erasmus pro výměnu studentů a hostitelská instituce přijala tři „erasmové” studenty ze země výzkumného pracovníka. Jeden doktorand ze země hostitelské instituce absolvoval studijní pobyt v zemi původu výzkumného pracovníka. Výzkumný pracovník přispívá k transferu znalostí o elektroforetickém nanášení vyplývajících zejména z rešerší japonské literatury do prostředí Evropského společenství. V průběhu projektu započaté a rozvinuté aktivity budou pokračovat. Výzkumný pracovník započal novou aktivitu na hostitelské instituci během projektu, mířící k přenosu znalostí a pomoci s vývojem počítačem řízených vědeckých experimentů. Po skončení tohoto projektu je výzkumný pracovník zaměstnán na hostitelské instituci v rámci projektu "Centrum materiálového výzkumu na FCH VUT" č. CZ.1.05/2.1.00/01.0012 podporovaným ERDF (Evropským fondem regionálního rozvoje).