Новые материалы, используемые в электронике

РЕФЕРАТ

НА  ТЕМУ:

«Новые  материалы, используемые в электронике».

Введение

Совершенствование производства, оснащение современных  предприятий электрооборудованием и различной аппаратурой невозможно без дальнейшего развития производства и освоения новых материалов.

Изготовление  новых материалов является одной из главных задач, в основу которой вошло широкое использование новых технологий, проектировании, а также отличной практической подготовки инженера.

Прогресс в  энергетической отрасли тесно связан с созданием и освоением новых материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и электрофизическими свойствами. Свойства материала определяются его внутренним строением, которое, в свою очередь, зависит от состава и характера предварительной обработки.

Изучив данную тему, мы будем иметь современные представления об электрофизических свойствах и процессах, происходящих в электротехнических материалах.

Цель реферата – показать знания об основных электротехнических материалах, их свойствах и закрепить навыки правильного выбора материала в различных эксплуатационных условиях и назначениях. Правильный выбор электротехнических материалов и рациональное их использование невозможно без подробного исследования связи их структур со свойствами и электрофизическими процессами, протекающими в этих материалах в условиях тепловых, магнитных, электромагнитных и других энергетических воздействий.

1. Теоретическая часть

1. Свойства материала.

Использование новых материалов для изготовления электроники качественно отличается от использования старых материалов, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, сравнительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых  для  создания, обработки и манипуляции  атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в  пределах от 1 до 100 нанометров.

Нанотехнология  в настоящее время находится  в стадии развития, поскольку основные открытия,  предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают   практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяют  относить ее к высоким технологиям. Однако до сих пор новые области в особенности молекулярной  технологии – мало исследованы.

Развитие современной  электроники идет по пути уменьшения размеров и энергосбережения  устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному  экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато  экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоемких производств.

Например, в  исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы  ксенонa на  поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa.

При выполнении подобных манипуляций возникает  ряд технических трудностей. В  частности, требуется создание условий  сверхвысокого вакуума (10−11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой для чего применяются специальные методы ее приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Современная тенденция  к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые  свойства, если взять очень маленькую  частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до  1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие  каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические  свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато  более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно  очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит  строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

2. Технология изготовления.

С момента открытии графена, этого чрезвычайно прочного материала, обладающего превосходной электропроводностью, многие эксперты пророчат ему большое будущее  в области физики и изготовления различных электронных устройств. Но результаты компьютерного моделирования, проведенного международной группой ученых, показывают, что материал, называемый графин, должен обладать уж совсем экзотическими электрическими свойствами, которые делают этот материал более интересным в области электроники, чем графен.

Подобно графену, графин так же состоит из атомов углерода, соединенных в кристаллическую решетку толщиной в один атом. Различие между этими материалами заключается в том, что кристаллическая решетка графина содержит помимо двойных межатомных связей еще и тройные связи. Поэтому кристаллическая решетка графина имеет более сложную форму, чем простая гексагональная форма решетки графена, более экзотические химические, физические и электрические свойства.

Компьютерные модели графина, составленные группой ученых-химиков из университета Эрлангена-Нюрнберга в Германии, возглавляемой Андреасом Герлингом, показывают, что за счет существования тройных связей электроны могут передвигаться по кристаллической решетке графина, быстрее, чем в графене, и встречать на своем пути меньше сопротивления. Это означает, что графин будет обладать еще большей электропроводимостью. Помимо этого, специфическая кристаллическая решетка графина-6,6,12, за счет присутствия в ней элементов, называемых конусами Дирака, графин способен проводить электрический ток только в одном направлении. Именно это свойство позволит исследователям на основе графина создавать высокоэффективные полупроводниковые элементы, такие как диоды и транзисторы, при этом обладающие превосходными высокочастотными характеристиками.

Приведем пример еще одной нанотехнологии. Ученые обнаружили самый прозрачный, легкий и гибкий материал, когда-либо созданный  наукой для проведения электричества.

Материал под  названием GraphExeter предназначен для  портативных электронных устройств, таких как телефоны и MP₃-плееры, но также может быть использован и в «умных» зеркалах или стеклах с компьютеризированными интерактивными возможностями.

Так как новый  материал является прозрачным в широком  спектре света, это может повысить эффективность солнечных батарей более чем на 30%.

По словам его  изобретателей, GraphExeter может произвести революцию в электронной промышленности. Он превосходит любые другие углеродные прозрачные проводники, используемые в электронике, а также может  применяться для широкого спектра приложений - от солнечных батарей до «умной» одежды.

В настоящее  время соединение оксида индия и  олова является основным проводящим материалом, используемым в электронике. Но он становится все более дорогим  и, как ожидается, закончится в 2017 году.

GraphExeter является  гораздо более гибким материалом  и первой по-настоящему жизнеспособной  альтернативой.

Чтобы создать  его, ученые зажали молекулы хлорида  железа между двумя слоями графена. Хлорид железа повышает электропроводность графена, не влияя на прозрачность материала. Исследовательская группа в настоящее время разрабатывает жидкую версию материала, которую можно будет распылять на ткани, зеркала и окна.

Недавно была разработана технология быстрого и недорогого производства электронных печатных плат с помощью метода обычной струйной печати. Данный метод основан на быстроте и недорогом изготовлении электронных печатных плат, в котором задействуется обычный струйный принтер, способный печатать как на бумаге, так и на поверхностях твердых материалов. С помощью этого метода стало возможным изготовление прототипов и опытных образцов плат всего за 60 секунд, которые требуются для распечатки изображения рисунка платы. При этом, сумма вложений и затрат не превышает 300 долларов, что существенно меньше сумм в несколько тысяч долларов, в которые обходится приобретение промышленных установок по быстрому производству прототипов печатных плат.

Технология, получившая наименование IIC (instant inkjet circuits), позволяет  распечатать рисунок электрических  проводников произвольной формы на поверхность твердых и гибких материалов. Такая технология может существенно облегчить жизнь, как и профессиональным электронщикам, так и любителям-энтузиастам, которые в некоторых случаях прибегают к использованию старого и проверенного лазерно-утюжного метода, требующего определенных навыков, оборудования, материалов и химических реактивов.

Реализация  технологии IIC стала возможно за счет достижений в области химических методов соединения металлических  частиц. Эти методы позволили исследователям соединить в единое целое серебряные наночастицы, находящиеся в чернилах для струйного принтера. Процесс химического соединения происходит при комнатной температуре, что позволило избежать необходимости применения процесса высокотемпературного теплового спекания, который занимает достаточно продолжительное время и может оказать разрушительное воздействие на материалы некоторых видов. Новый метод IIC лучше всего работает при печати на обычную мелованную бумагу, на PET-пленку и на глянцевую фотобумагу, но допускается печать токопроводящих дорожек, с немного худшими результатами, на поверхность резины, плотного брезента и на листы некоторых магнитных материалов.

После распечатки рисунка печатной платы на любом  из видов материалов на нее тут  же можно начать установку электронных компонентов. Правда о традиционном паяльнике в этом случае придется забыть, для соединения выводов компонентов с токопроводящими дорожками необходимо использовать двустороннюю токопроводящую липкую ленту или специальный серебряный токопроводящий клей, которые широкодоступны на потребительском рынке. Благодаря этому, законченные электронные устройства, даже высокой сложности, могут быть созданы с нуля буквально за несколько часов времени.

3. Применение в электронике.

Электроника, которая отработала свой срок или преждевременно вышла из строя, является одной из наиболее быстро растущих экологических проблем во всем мире. Демонтаж электронных компонентов печатных плат с целью их дальнейшего повторного использования или переработки является сложным технологическим процессом, который делает утилизацию электронных устройств весьма дорогостоящей и часто неэффективной с экономической точки зрения. Но что, если бы печатные платы могли раствориться в обычной воде, освобождая неповрежденными их электронные компоненты?

Вышеуказанная идея легла в основу технологии производства печатных плат ReUSE, разработанной исследователями  британской Национальной физической лаборатории. Печатные платы ReUSE изготовлены из специального материала со специальным покрытием, которые позволяют выдерживать уровень влажности и высокой температуры, с которыми они сталкиваются при нормальной эксплуатации.

Но, когда срок службы компонентов, установленных  на печатной плате, подходит к концу, ее подвергают обработке простой  горячей водой. Верхние защитные слои платы разрушаются и материал платы начинает растворятся в  воде, оставляя компоненты в целости  и сохранности. После этого компоненты требуется лишь очистить от остатков материала платы, высушить и отправить на сортировку.

Рассмотрим  еще один вид новых материалов, это - органические светодиоды, диоды, в которых излучающий слой представляет собой органическое соединение. Они состоят из следующих элементов: подложки (пластиковой, стеклянной, фольги); катода, инжектирующего электроны в излучающий слой при прохождении тока; слоев органических материалов, один из которых проводит дырки, инжектируемые анодом, а второй – электроны, инжектируемые катодом, в нем и происходит излучательная рекомбинация носителей заряда; прозрачного анода, который при прохождении тока инжектирует дырки.

В качестве материала  анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы (алюминий и кальций) с низкой работой выхода, но достаточной для инжекции электронов в полимерный слой. В качестве светоизлучающих материалов используются низкомолекулярные органические вещества и полимеры. Последние делятся на просто полимеры, полимерорганические и фосфоресцирующие соединения.

Физический  принцип генерации светового  излучения полимеров основан на явлении электролюминесценции в органических низкомолекулярных соединениях и в полимерах. Сначала появились полимеры на основе микромолекул, однако они были слишком дороги, поскольку изготавливались с помощью вакуумного напыления. Первый шаг к созданию полимерных диодов был сделан в 1989 году, когда ученым Кембриджского университета удалось синтезировать особый полимер – полифениленвинилен. Технологически светодиоды могут быть получены нанесением на подложку полимерных материалов специальным струйным принтером.

Области применения органических диодов – дисплеи малых  и средних размеров, ТВ-экраны, осветительная  аппаратура, солнечные батареи. Преимущества OLED перед плазменными дисплеями: меньшие габариты и масса; более  низкое энергопотребление; возможность создания гибких экранов.

Главная проблема органических диодов – недостаточное  время непрерывной работы. Связана  она с тем, что красный и  зеленый свет могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем синий. В результате этого искажается изображение. Но над этой проблемой постоянно работают ученые и разработчики. И сегодня время непрерывной работы синего составляет примерно 20 тыс. ч.

Жесткие требования к такой характеристике, как время  непрерывной работы, не распространяются на дисплеи сотовых телефонов, фотокамер, планшетов и иных малых устройств. Для них достаточно в среднем около 5 тыс. ч, что связано с быстрым устареванием моделей аппаратуры.

Спин-диод. Новый  тип органических светодиодов создан профессором физики Университета штата Юта Вали Уордни и научным сотрудником То Нгуеном. Это не просто электронное устройство, которое хранит некоторые данные, закодированные зарядами электронов, а именно спинтронное устройство, в котором спины электронов являются носителями информации.

Органический  слой в новомдисплее представляет собою полимер с необычным названием "дейтерированный DOO-PPV", который излучает оранжевый цвет, а в электроде из кобальта применен сверхтонкий слой фторида лития.

Органические  спиновые затворы состоят из трех слоев: органического слоя, действующего как полупроводник и располагающегося между двумя слоями – металлическими электродами-ферромагнетиками. Один из ферромагнетических металлических электродов изготовлен из кобальта, а другой – из химически сложной субстанции – лантанно-стронциевой окиси магния.

Под воздействием малого напряжения отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки проходят через органический полупроводник. Если к электронам приложить  магнитное поле, спины электронов и дырок в полупроводнике можно расположить параллельно или же в противоположных направлениях.

Замена обычного водорода на дейтерий в органическом слое повысило эффективность излучения. А применение сверхтонкого слоя фторида  лития на электроде из кобальта позволяет электронам проникать в спиновый затвор с одной стороны, тогда как положительно заряженные дырки попадают в затвор с другой стороны. Эта способность затвора пропускать и электроны, и дырки прямо связана с его свойством испускать видимый свет. Затвор выдерживает работу с токами большей величины и излучает свет, интенсивность которого можно регулировать с помощью магнитного поля, в то время как для других типов светодиодов необходима дополнительная электрическая энергия для увеличения интенсивности светового потока.

Еще одна особенность  нового светодиода: если существующие диоды могут излучать свет только одного из трех цветов: красного, синего или зеленого (в зависимости от типа используемого полупроводника), то спиновые светодиоды способны излучать разные цвета, которые соответствуют определенным значениям магнитного поля. Ширина и длина светодиода составляют 300 мкм (что равно суммарной ширине от трех до шести человеческих волос), а высота – около 40 нм (т.е. примерно в тысячу раз тоньше волоса человека).

Однако у  технологии есть один большой недостаток: спин-светодиоды работают только при  температурах ниже -33°C. Другими словами, технология нуждается в усовершенствовании, чтобы диоды могли работать при  комнатной температуре.

Органические  светодиоды с применением нанотехнологий созданы учеными из Мичиганского университета как альтернатива лампам накаливания и дневного света.

В обычных органических светодиодах тонкие пленки органического  материала под воздействием электрического тока испускают свет. При этом материал светится по всей толщине, и более 60% производимого света не попадает наружу.

В разработанном  светодиоде для увеличения эффективности  используется специальная двухслойная  конструкция. Первый слой представляет собой решетку с нанометровыми  ячейками, выполненную из органического материала. Второй слой состоит из нанолинз, каждая из них накрывает ровно одну ячейку. Линзы улавливают свет, который проходил бы внутрь материала, и отражают его.

Световая отдача представленной конструкции около 70 лм/Вт. Для сравнения, этот показатель для обычных ламп накаливания составляет около 15 лм/Вт, а для ламп дневного света – 90 лм/Вт. К преимуществам изобретения следует отнести доступность материалов, из которых оно изготавливается. Так, например, первый слой можно изготавливать из натуральных красителей. Кроме того, новые светодиоды не содержат токсичных веществ (лампы дневного света содержат ртуть). По этой технологии могут изготавливаться осветительные панели, которым можно придать любую форму.

Разработанные источники света можно использовать для освещения в дизайнерских интерьерах и наружного освещения или в гибкой органической оптоэлектронике (например, в растягивающихся органических светодиодных дисплеях или солнечных батареях). В ближайшем будущем исследователи планируют улучшить характеристики графенового анода и повысить его проводимость.

Органические  светодиоды ИК-диапазона. Группа американских ученых из нескольких университетов  и компании Universal Display Corporation разработали  дисплей, излучающий в ИК-диапазоне. Для получения ИК-излучения используется фосфоресцирующее комплексное соединение платины с порфирином, введенным в качестве добавки в полупроводник.

В традиционных диодах при подаче напряжения электроны  поступают в слой органического  вещества, которое переходит в электронно-возбужденное состояние, а затем излучает свет. При этом органический компонент возвращается в исходное состояние.

До сих пор  в качестве органического компонента использовали флуоресцирующие красители. Суть изобретения в том, что разработаны новые фосфоресцируюшие добавки, у которых переход в основное состояние происходит в течение более длительного периода времени. Комплекс платины с порфирином состоит из центрального атома платины, окруженного четырьмя порфириновыми кольцами, образующими единую циклическую структуры. Интересно отметить, что порфирин – это биомолекула, гетероциклическое азотсодержащее соединение, которое входит в состав гемоглобина и хлорофилла.

Светодиоды  на основе металлоорганических комплексов тербия и цинка получены в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН). На проводящее стекло (сплав оксида олова и свинца) наносится слой ITO, который служит прозрачным электродом. На него в вакууме напыляется несколько органических слоев синтезированного нового вещества, например, комплексного соединения, образованного несколькими основаниями Шиффа, присоединенными к атому цинка. (Основание Шиффа (азометин) – органическое соединение, в котором азот связан с арильной или алкильной группой, но не с водородом.) Сверху на эту многослойную аморфную пленку методом термического напыления наносится металлический непрозрачный слой, служащий катодом. В результате получается конструкция, напоминающая конденсатор, – два электрода, между которыми расположено несколько органических слоев. Под напряжением такой прототип светодиода начинает излучать свет. Но задача состоит не только в том, чтобы создать более простую работающую структуру, но и в том, чтобы получить большую, чем у существующих материалов, эффективность – по набору характеристик или по отдельным параметрам.

Соединения  цинка не рассматривают как материал для источников освещения, так как  имеют эффективность не более 25%. Но эти соединения устойчивы термически, выдерживают большие токи и поэтому  перспективны для силовой электроники.

Тербиевые материалы  позволяют получить эффективность  фотолюминесценции вплоть до 100% (на образцах в ФИАН получена эффективность  около 95%), т.е. они отдают практически  все, что поглощают, незначительно  изменив длину волны. Тербиевые  материалы перспективны для производства самых различных дисплеев и средств освещения. Светодиоды на металлоорганических комплексах тербия очень перспективны и в будущем могут стать следующим шагом в развитии оптоэлектроники.

Заключение

Несмотря на очевидные успехи новые технологии все еще существует много нерешенных проблем, в той или иной степени мешающих ее быстрой и широкой коммерциализации. И сегодня компании и исследовательские центры активно работают над получением более стабильных и более дешевых органических материалов, а также над проблемой увеличения их времени жизни или времени сохранения необходимого уровня яркости излучения органики, работающей в составе дисплеев, ТВ-экранов, осветительной техники и солнечных панелей.

Литература

1. Майская В. Органические светодиоды. Удивительное рядом. – Электроника: НТБ, 2007, №5, с.39–46.
2. Беляев В. Международному дисплейному обществу – 50 лет. – См. наст. вып., с.98–105.
3. "Яркое" будущее светодиодной технологии. Международная выставка и конференция Lightfair International. – См. наст. вып., с.38–48.
4. Самарин А. OLED-дисплеи: от мифов к реальности. – Компоненты и технологии, 2007, вып.2.