Polimer fotoprzewodzący

Polimery fotoprzewodzące pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne i powodują wzrost przewodnictwa elektrycznego . Polimery fotoprzewodzące były wykorzystywane w wielu różnych zastosowaniach technicznych, takich jak kserografia (elektrofotografia) i druk laserowy . Przewodnictwo elektryczne jest zwykle bardzo małe w związkach organicznych . Polimery przewodzące zwykle mają dużą przewodność elektryczną. Polimer fotoprzewodzący to inteligentny materiał oparty na polimerze przewodzącym, a przewodność elektryczną można kontrolować za pomocą ilości promieniowania.

Podstawowymi parametrami fotoprzewodnictwa są wydajność kwantowa generacji nośnika ( $C$ , ruchliwość nośnika ( ), pole elektryczne ( $E ), temperatura (T$ ) stężenie ( ) nośników ładunku. Wewnętrzne właściwości polimerów $,$ to wydajność kwantowa ( ) i ruchliwość nośników ( $)$ które określą fotoprąd . Na fotoprąd będą miały wpływ te cztery rodzaje procesów: generowanie nośników ładunku, wstrzykiwanie ładunku, pułapkowanie ładunku , transport nośników ładunku.

W patentach i literaturze ujawniono setki polimerów fotoprzewodzących. Istnieją głównie dwa rodzaje polimerów fotoprzewodzących: ujemne polimery fotoprzewodzące i magnetyczne polimery fotoprzewodzące.

Definicja

Fotoprzewodnictwo jest zjawiskiem optycznym i elektrycznym, polegającym na zwiększeniu przewodnictwa elektrycznego materiału poprzez absorpcję promieniowania elektromagnetycznego (np. światła widzialnego, ultrafioletowego, podczerwonego). Polimery fotoprzewodzące mogą służyć jako dobre izolatory, gdy nie ma elektryczności, swobodnych elektronów i dziur.

Na ogół polimery zazwyczaj spełniają te dwie cechy.

1. Polimery fotoprzewodzące mogą absorbować światło w celu wzbudzenia elektronów ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Fotowzbudzony elektron utworzy parę nośników ładunku, które można rozdzielić za pomocą pola elektrycznego.

2. Polimery fotoprzewodzące muszą umożliwiać migrację fotowzbudzonych elektronów lub dziur, lub obu, przez polimer w polu elektrycznym w kierunku odpowiednich elektrod.

Polimery fotoprzewodzące działają jedynie jako nośniki przenoszące ładunek i mogą być typu p lub typu n , jednak większość znanych polimerów fotoprzewodzących jest typu p (tylko otwory transportowe). Zwykle obserwowane fotoprądy są bardzo małe w związkach organicznych. Ruchliwości μ wynoszą typowo ^10-12-10-18 m ² V - ¹ s - ¹^. A fotoprądy są zwykle wywoływane przez generowanie, wtryskiwanie i transport nośników ładunku.

Polimery fotoprzewodzące zostały opracowane w różne typy, istnieją dwa główne typy, jeden to fotoprzewodnictwo ujemne, a drugi to fotoprzewodnictwo magnetyczne. Polimery fotoprzewodzące znacznie wzbogaciły materiał fotoprzewodzący i znajdują wiele zastosowań (np. kserografia, drukarki laserowe)

Negatywny

Niektóre materiały wykazują spadek fotoprzewodnictwa po ekspozycji na oświetlenie. Jednym z wyróżniających się przykładów jest uwodorniony bezpostaciowy krzem, w którym można zaobserwować metastabilne zmniejszenie fotoprzewodnictwa. Inne materiały, które według doniesień wykazują ujemne fotoprzewodnictwo, obejmują dwusiarczek molibdenu, grafen i nanocząsteczki metali.

Czynniki wpływające na fotoprąd

Kiedy światło jest absorbowane przez materiał, zwiększa się liczba wolnych elektronów i dziur elektronowych, co zwiększa jego przewodność elektryczną. Aby spowodować wzbudzenie, światło padające na materiały musi mieć wystarczającą energię, aby podnieść elektrony przez pasmo wzbronione lub wzbudzić zanieczyszczenia w paśmie wzbronionym. Proces ten będzie obejmował cztery rodzaje procesów: generowanie nośników ładunku, wstrzykiwanie ładunku, pułapkowanie ładunku, transport nośników ładunku.

Generacja nośników ładunku

Mechanizm wewnętrznej fotogeneracji ładunku w fotoprzewodnikach amorficznych

Na generowanie nośników ładunku można wpływać w różnych aspektach: absorbowane fotony , sam polimer, fotowzbudzenie materiału światłoczułego. Mechanizm wewnętrznej fotogeneracji jest taki, jak pokazano.

Ponieważ Onsager pierwotnie rozwinął tę teorię:

Kompleks spotkania zostanie utworzony w wyniku fotowzbudzenia z migracją ekscytonu do miejsca akceptorowego. Wydajność fotogeneracji zależy od konkurencji między separacją nośników a rekombinacją bliźniaczą. Wydajność fotogeneracji została zdefiniowana na podstawie dysocjacji par jonowych w słabych elektrolitach , którą można wyrazić w funkcji pola elektrycznego, temperatury i odległości separacji związanej pary dziura-elektron. Ogólną wydajność fotogeneracji można podać wzorem ${\ displaystyle \ phi (E)}$

${\ Displaystyle \ phi (E) = \ phi _ {0} \ int p (r, \ Theta, mi) g(r,\Theta )d^{3}r}$

${\ Displaystyle d ^ {3} r}$ $)}$ elementem objętości , jest pierwotną wydajnością kwantową, $)$ ${\ Displaystyle p (r, \ Theta,$ $displaystyle E}$ prawdopodobieństwem, że para dziura-elektron oddzielona jest odległością $mi$ kątem do kierunku pola elektrycznego, $\$ , ${\ Displaystyle g (r, \ Theta)}$ to przestrzenna funkcja dystrybucji między jonami.

Skuteczne wstrzykiwanie ładunku do warstwy odgrywa ważną rolę w pracy z warstwą fotogeneracyjną.

W warunkach quasi-stacjonarnych można to zapisać za pomocą płynnego równania:

${\ textstyle {\ Frac {dn} {dt}} = \ phi I- \ gamma _ {r} n ^ {2} - \ gamma _ {i}n\gruby około 0}$

${\ Displaystyle \ phi I}$ to szybkość padających fotonów, które są pochłaniane podczas fotogenerowania, to szybkość gęstości swobodnej ${\ Displaystyle \ gamma _ {r} n ^ {2}}$ $to$ w warstwie generowania zredukowane przez rekombinację, wtrysku

Zakładając, że ładunki przechodzące przez interfejs nie powrócą, wydajność fotoiniekcji można zdefiniować jako ${\ displaystyle \ Upsilon}$

${\ Displaystyle \ Upsilon = {\ Frac {\ gamma _ {i} n} {I}} = \ delta [(1 + {\ Frac {2 \ phi} {\ delta}}} ^ {\ Frac {1}{2}} -1)]}$ $\ delta = \ gamma _{i}^{2}/2I\gamma _{r}}$ =

(i) Dla dużych lub niskich współczynników rekombinacji, $w$ $wydajność$ to przypadku wydajność fotowtrysku jest określana przez

(ii) Dla małych $Υ$ wysokich współczynników rekombinacji $\ Displaystyle \ Upsilon = (2 \ delta \ phi) ^ {\ Frac {1} {2} }}$ , a skuteczność fotoiniekcji będzie zależała od szybkości wstrzykiwania, ${\ displaystyle \ gamma _ {i}}$ .

Transport płatny

Transport ładunku można zdefiniować jako proces, w którym ładunek fotogenerowany w fotoprzewodnikach jest wtryskiwany do materiału transportowego. Po wstrzyknięciu ładunków migrują one przez ośrodek, a następnie docierają do przeciwległej elektrody. W tym procesie elektrony lub dziury lub jedno i drugie obejmuje „przeskakiwanie”, na przykład sekwencję transferów ładunków między zlokalizowanymi miejscami. Te zlokalizowane miejsca są połączone z poszczególnymi grupami funkcyjnymi lub segmentami łańcucha polimeru.

Ogólnie rzecz biorąc, wstrzykiwanie otworów lub przenoszenie otworów do nośnika transportującego. Proces ten można uznać za etap utleniania z wytworzeniem rodników kationowych. Tymczasem wtrysk elektronów jest procesem redukcji.

Opierając się na właściwościach transportu ładunku, polimery fotoprzewodzące zwykle spełniają jedną z cech:

(1) Polimery fotoprzewodzące są sprzężone z σ.

(2) Polimery fotoprzewodzące mają rozszerzony układ elektronów π w zawieszeniu szkieletu łańcucha.

Cechy te gwarantują delokalizację i stabilizację opłaty transportowej.

Pułapka ładunku

Pułapkowanie ładunku jest ważnym procesem, w którym migrujące ładunki mogą zostać unieruchomione w miejscach pułapek. Jeśli pułapki są „płytkie”, można je określić jako „transportinteractive”. Materiały wychwytujące dziury zwykle mają niższy potencjał utleniania i działają jako materiały transportujące żywiciela. Silniejszy akceptor elektronów ma lepszą zdolność do wychwytywania elektronu transportowego.

Ładunki mogą zostać unieruchomione przez nieodwracalne reakcje uboczne redoks, wynikające z rekombinacji bliźniaczej i rekombinacji nośników w obwodzie. W tym procesie naładowane ugrupowanie można zilustrować schematem:

(a) Unieruchomienie ładunku z powodu nieodwracalnej reakcji ubocznej redoks

( a ) Etapy redoks w celu uzyskania migracji dziury bez pułapek obejmującej grupy neutralne M i grupy naładowane M +

(b) Unieruchomienie ładunku w wyniku nieodwracalnej reakcji ubocznej redoks

(b) Gatunki przerywane M _j⁺ mogą podlegać dwóm rodzajom procesów:

(i) Migracja elektronu z M _k spowoduje powstanie Mj _{pochodzącego} z _Mj⁺

(ii) M _j⁺ przechodzi reakcję uboczną prowadzącą do naładowanego gatunku X ⁺ , który nie będzie dalej wymieniał ładunku z sąsiednią grupą M.

Techniki eksperymentalne

Ogólne wprowadzenie

Istnieje kilka parametrów polimerów fotoprzewodzących: wydajność $wtrysku$ $fotogeneracji$ $wydajność$ mobilność i . Tych parametrów nie $można$ uzyskać w pomiarach w stanie ustalonym, $a$ bardzo ważnymi parametrami w wyrażaniu fotoprzewodnictwa, są uzyskiwane z niezależnych eksperymentów.

Techniki przejściowe, czas przelotu (TOF) i wyładowania kserograficzne to konwencjonalne techniki przejściowe, które są wykorzystywane do określania parametrów polimerów fotoprzewodzących. I wszystkie muszą być wykonane w kontaktach niewstrzykujących.

Eksperymentalne wyznaczanie ruchliwości nośników ładunku

Ładunki będą generowane w obszarze, w którym blisko elektrody padające zdjęcia są absorbowane. Aby uniknąć migrujących ładunków jako impulsu prądu, RC mają mniejszą wartość niż ${\ displaystyle {t_ {Tr}}}$ (RC < ${\ displaystyle {t_ {Tr}}}$ , R: rezystancja, $.$ : pojemność i przejścia ładunków) Sygnał jest prostokątem o amplitudzie ${\ displaystyle i_ {0}}$ bez nadmiernego rozproszenia ładunku i można go wyrazić następująco:

${\ Displaystyle i_ {0} = {\ Frac {e \ phi N} {t_ {Tr}}}}$ , gdzie ${\ Displaystyle e}$ to ładunek elektroniczny, a N to liczba pochłoniętych zdjęć

A prąd zbliży się do 0, gdy ładunki dotrą do elektrody, więc ruchliwość nośnika można wyrazić następująco:

$}}$ $}$ , gdzie jest grubością filmu.

W technice kserograficznej ładunek koronowy pełni taką samą rolę jak elektroda półprzeźroczysta. Różnica potencjałów jest monitorowana przez sprzężoną sondę. W przypadku braku pułapkowania ładunku szybkość zaniku potencjału ma postać:

$}}}, gdzie do {$ $Displaystyle C}$ \ to pojemność, a $pochłoniętych$ fotonów na jednostkę powierzchni w jednostce czasu.

Mierząc szybkość zaniku potencjału, można uzyskać odpowiednio i $displaystyle$ $\ phi} .$

Aplikacje

Polimer fotoprzewodzący został z powodzeniem zastosowany w drukarkach kserograficznych i laserowych. Użyli warstwowego organicznego fotoprzewodzącego polimeru z polimerową warstwą przenoszącą ładunek. Warstwa ładunkowo-transportująca jest solidnym rozwiązaniem w porównaniu z innymi drukarkami, które zwykle używają płynnych chemikaliów w procesie drukowania. Główne zalety organicznego polimeru fotoprzewodzącego to (i) czułość bliskiej podczerwieni (ii) panchromatyczność (iii) elastyczność zastosowań (iv) prosta produkcja (v) niski koszt. Obecnie najlepsze organiczne fotoprzewodzące polimery są tak samo czułe jak nieorganiczne urządzenia na bazie selenu.

Istnieje potencjalne zastosowanie w ogniwach fotowoltaicznych. Ograniczeniem tego zastosowania jest to, że polimer fotoprzewodzący nie ma wysokiej wydajności konwersji.

Niektóre możliwe zastosowania zostały opisane tylko w literaturze, ale nie w produktach komercyjnych. Są to obrazowanie fototermoplastyczne, nagrywanie holograficzne i optyczne urządzenia przełączające.

Kserografia

Kserografia lub elektrofotografia to technika fotokopiowania. Jego podstawowa zasada została wynaleziona przez Chestera Carlsona w 1938 roku, a następnie opracowana i skomercjalizowana przez firmę Xerox Corporation, która jest wykorzystywana do drukowania wysokiej jakości. Na początku technikę tę nazwano elektrofotografią, następnie przemianowano ją na kserografię. W tradycyjnych technikach reprodukcji w proces drukowania zaangażowane są płynne chemikalia. Kserografia wykorzystuje polimer fotoprzewodzący jako materiał podstawowy, którym są stałe chemikalia.

Innowacja Carlsona łączyła druk elektrostatyczny z fotografią, w przeciwieństwie do procesu drukowania elektrostatycznego wynalezionego przez Georga Christopha Lichtenberga w 1778 roku. Oryginalny proces Carlsona wymaga kilku ręcznych etapów obróbki z płaskimi płytami. Minęło prawie 18 lat, zanim opracowano w pełni zautomatyzowany proces, a kluczowym przełomem było zastosowanie cylindrycznego bębna pokrytego selenem zamiast płaskiej płyty. Doprowadziło to do powstania pierwszej komercyjnej automatycznej kopiarki (Xerox 914) w 1960 roku.

Przed rokiem 1960 Carlson zaproponował swój pomysł kilkunastu firmom, ale żadna nie była nim zainteresowana. Kserografia jest obecnie stosowana w większości kserokopiarek, drukarek laserowych i LED.

Drukarki laserowe

Druk laserowy to elektrostatyczny proces druku cyfrowego. Tworzy wysokiej jakości tekst i grafikę, wielokrotnie przepuszczając wiązkę lasera tam iz powrotem nad ujemnie naładowanym cylindrem zwanym „bębnem”, aby uzyskać naładowany obraz. Bęben może selektywnie zbierać naładowany elektrycznie sproszkowany atrament (toner) i przenosić obraz na papier.

Jako kserokopiarki cyfrowe , drukarki laserowe wykorzystują proces drukowania kserograficznego. Druk laserowy różni się jednak od kserokopiarek analogowych. Ponieważ obraz jest tworzony przez bezpośrednie skanowanie nośnika przez fotoreceptor drukarki, co umożliwia drukowanie laserowe w celu kopiowania obrazów szybciej niż większość kserokopiarek.

Pierwsza drukarka laserowa została wynaleziona przez firmę Xerox PARC w latach 70. XX wieku. Drukarki laserowe zostały wprowadzone na rynek biurowy, a następnie na rynek domowy w kolejnych latach przez IBM , Canon , Xerox, Apple, Hewlett-Packard i inne. Przez dziesięciolecia jakość i szybkość rosły wraz ze spadkiem cen, a niegdyś najnowocześniejsze urządzenia drukujące są teraz wszechobecne.

Zobacz też