Курсовая работа: Органические полупроводники
Уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит
между донорными уровнями и дном зоны проводи мости, при невысоких температурах
— приблизительно посредине между ними
На условно изображена решетка кремния с
примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора
недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из
связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное
захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар
возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси
возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и
не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной
примесью возникают носители тока только одного вида — дырки. Проводимость в
этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит
к p-типу (от слова positiv — положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок,
называются акцепторными.
На схеме уровней акцептору соответствует
расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна локальный уровень.
Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный
уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных
связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона
и дырки.
Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит
между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких
температурах — приблизительно посреди не между ними.
С повышением температуры концентрация примесных
носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически
освобождаются все донорные или заполняются электронами все акцепторные уровни.
Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться
собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов
непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при
высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из
примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает
примесная, а при высоких — собственная проводимость.
2 Органические полупроводники
Полупроводники органические, твёрдые органические вещества, которые имеют (или
приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную
проводимости. Полупроводники органические характеризуются наличием в молекулах системы
сопряжения. Носители тока в полупроводниках
органических образуются в результате возбуждения
p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия активации,
необходимая для образования носителей тока в полупроводниках
органических, снижается по мере увеличения числа
сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.
К полупроводникам органическим относятся органические красители (например,
метиленовый голубой, фталоцианины), ароматические соединения (нафталин,
антрацен, виолантрен и др.), полимеры с сопряжёнными связями, некоторые
природные пигменты (хлорофилл, b-каротин и др.), молекулярные комплексы
с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. Полупроводники органические существуют в
виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и плёнок.
Величины удельного сопротивления r при комнатной температуре у полупроводников органических лежат в
диапазоне от 1018 ом×см (нафталин, антрацен) до
10-2 ом×см. Наиболее проводящими полупроводниками органическими являются
ион-радикальные соли, на основе анион-радикала тетрацианхинодиметана. Они
обнаруживают электропроводность металлического характера. У полупроводников органических с низкой
электропроводностью наблюдается явление фотопроводимости.
Полупроводники органические обладают особенностями, которые определяются
молекулярным характером их структуры и слабым межмолекулярным взаимодействием:
1) поглощение света вызывает возбуждение молекул, которое
может мигрировать по кристаллу в виде экситонов;
2) образование носителей тока под действием света связано с
распадом экситонов на поверхности кристалла, дефектах его структуры, примесях,
при взаимодействии экситонов друг с другом, а также с автоионизацией высоковозбуждённых
молекул;
3) зоны проводимости узки (~0,1 эв), подвижность
носителей тока, как правило, мала (~1 см2/в×сек);
4) наряду с зонным механизмом электропроводности
осуществляется прыжковый механизм.
В кристаллах ион-радикальных солей межмолекулярное взаимодействие
сильно анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптических и
электрических свойств и позволяет рассматривать этот класс полупроводники органические как
квазиодномерные системы.
Полупроводники органические находят применение в качестве светочувствительных
материалов (например, для процессов записи информации), в микроэлектронике, для
изготовления различного рода датчиков. Исследование полупроводников органических важно для
понимания процессов преобразования и переноса энергии в сложных
физико-химических системах и в особенности в биологических тканях. С
полупроводниками органическими,
в частности с ион-радикальными солями, связана перспектива создания сверхпроводников
с высокой критической температурой.
1. Красители, цветные органические соединения,
применяемые для окраски текстильных материалов, кожи, мехов, бумаги, пластмасс,
резин, древесины и др. К ним относятся также бесцветные соединения, из которых
окрашенные вещества образуются после нанесения на материал, например красители
для холодного крашения, а также отбеливатели оптические. Природные
красители — ализарин, индиго и др. — добывались с глубокой древности из
растений, реже из животных организмов. Первые синтетические красители
получены в 1856 независимо польским химиком Я. Натансоном (фуксин) и английским
химиком У. Г. Перкином (мовеин), а в 1857 начато промышленное производство
мовеина. В 1869 синтезирован ализарин (немецкие химиками К. Гребе и К. Т.
Либерманом) и вскоре большое число др. синтетических красителей, превосходящих
по качеству природные. К началу 20 в. синтетические красители почти полностью
вытеснили натуральные. Синтез красителей стал возможным после открытия Н. Н.
Зининым общего метода получения ароматических аминов. К началу 70-х гг.
число красителей, выпускавшихся промышленностью всего мира, превышало 9000 и ежегодно
растет.
По химическому строению красители разделяют на следующие группы:
нитрокрасители, нитрозокрасители, азокрасители, арилметановые, хинониминовые
красители, сернистые красители, индигоидные красители, антрахиноновые
красители, полициклические красители, фталоцианиновые красители, полиметиновые
красители, азометиновые красители. По областям и методам применения
красители делят на кислотные, прямые, кубовые, сернистые, протравные, основные,
катионные, активные (реактивные), окислительные, дисперсные, пигменты и лаки,
жиро-, спирто- и ацетонорастворимые, красители для холодного (ледяного)
крашения, для кожи, алюминия, меха, дерева и др.
Цветность красителей, т. е. способность избирательно
поглощать видимые лучи света, связана с их химическим строением: наличием
достаточно протяжённой системы сопряжённых двойных связей, часто включающей гетероатомы.
На окрашиваемом материале (субстрате) красители удерживаются благодаря
образованию химических связей с субстратом: ковалентных (в случае активных
красителей) или ионных (для кислотных красителей), а также силами адсорбции и
водородной связи (прямые красители); многие красители образуют нерастворимые в
воде частицы (кубовые, сернистые красители, красители для холодного крашения),
которые «застревают» в порах субстрата; для удержания красители на окрашиваемом
материале применяют также связующие или плёнки полимера. В процессе
эксплуатации материала его окраска не должна существенно изменяться под
действием света, слабых кислот и щелочей, при стирке, трении, глаженье
и т. п. Устойчивость окраски зависит от многих факторов, в том числе от
химического строения красителя, характера связи красителя с субстратом и
природы последнего. Так, например, основные красители нестойки на шерсти, но
достаточно прочны на полиакрилонитрильном волокне. Устойчивость окрасок к
различным воздействиям измеряется по пятибалльной системе, кроме
светопрочности, которая оценивается по восьмибалльной шкале.
Помимо окраски различных материалов, красители применяют в
цветной и черно-белой кинематографии и фотографии, аналитической химии, в
медицине в качестве средств диагностики, при биохимических исследованиях, в
жидкостных лазерах, в различных физических приборах в качестве элементов,
обладающих фотопроводимостью и некоторыми др. свойствами.
Сырьём для производства красителей служат бензол, нафталин,
антрацен, пирен и др. ароматические и гетероциклические соединения, а также
различные кислоты, щёлочи, соли, спирты и др. вещества. Сначала получают так
называемые промежуточные продукты, которые далее превращают в красители
посредством реакций конденсации, диазотирования, азосочетания, окисления и др.
производство многих красителей отличается сложностью, процесс иногда состоит из
10 и более стадий.
2. Хлорофилл (от греч. chlorós — зелёный и
phýllon — лист), зелёный пигмент растений, с помощью которого они
улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез.
Локализован в особых клеточных структурах — хлоропластах или хроматофорах и
связан с белками и липидами мембран. Основу структуры молекулы Х, составляет
магниевый комплекс порфиринового цикла; в IV пиррольном кольце к остатку
пропионовой кислоты присоединён высокомолекулярный спирт фитол, который придаёт
Х. способность встраиваться в липидный слой мембран хлоропластов.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 |
