Паращук Дмитрий Юрьевич
«Физика органических полупроводников»
Описание курса:
В последние десятилетия бурно развивается новая мультидисциплинарная область — органическая электроника, что уже привело к массовому производству экранов смартфонов, планшетов и телевизоров, выполненные на органических светодиодах. Полагают, что это только первый шаг развития органической электроники, поскольку она обещает качественно новые оптоэлектронные и электронные устройства — гибкие, легкие, полупрозрачные и дешевые экраны, солнечные батареи, сенсоры, датчики и т.д., которые можно производить по зеленым технологиям. Такие устройства широко востребованы в цифровой экономике, медицине и для решения оборонных задач. «Сердцем» таких устройств выступают органические полупроводники, свойства которых можно менять в очень широких пределах с помощью методов органического синтеза, например, весьма легко менять ширину их запрещенной зоны в сравнении с неорганическими полупроводниками. При этом для развития области органической электроники необходимо глубокое понимание физики органических полупроводников, которая отчасти похожа на физику неорганических полупроводников, но имеет существенные отличия. Например, энергия связи экситонов в органических полупроводниках как правило сильно (на порядок величины и более) превосходит таковую в неорганических полупроводниках и обычно намного выше характерной тепловой энергии. Это приводит к тому, что транспорт экситонов (энергии возбуждения) в органических полупроводниках играет заметно более высокую роль в сравнении с неорганическими.
В курсе представлены основные структурные, электронные и оптические свойства органических полупроводниковых материалов, состоящих как из полимеров, так и небольших молекул. После рассмотрения фундаментальных вопросов физики химической связи излагается химическая структура основных органических молекул с сопряженными связями. Затем представлены свойства электронных возбужденных состояний в рамках одно- и многоэлектронных моделей. Рассмотрены модели экситонов Френкеля и Ванье-Мотта, обсуждается роль внутри- и межмолекулярных движений на полупроводниковые свойства органических материалов. Представлены современные модели транспорта зарядов в органических полупроводниках.
План курса:
Лекция 1
Введение. Цель курса. Проблемы создания новых материалов для органической электроники и оптоэлектроники.
Лекция 2
Физика химической связи. Ковалентная связь. Молекула водорода: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей. Понятие о современных методах квантовой химии.
Лекция 3
Химическая структура органических полупроводников. Атомы С, N, O. Правило Хунда. Молекулы O2, N2 и F2. Гибридизация орбиталей. Понятие пи-сопряжения. Этилен, полиены. Полиацетилены и полидиацетилены. Бензол, тиофен, олигомеры на их основе.
Лекция 4
Ароматические полупроводниковые полимеры. Конденсированные ароматические молекулы. Углеродные материалы: графены, фуллерены, нанотрубки. Межмолекулярные взаимодействия. Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Пи-пи взаимодействия.
Лекция 5
Одноэлектронная модель. Метод молекулярных орбиталей/сильной связи (Хюккеля). Бесконечные (полимеры) цепи. Сравнение с приближением сильной связи: ширины зон и эффективные массы.
Лекция 6
Одноэлектронная модель. Конечные цепи (олигомеры). Плотность заряда и спина, порядки связей. Циклические молекулы, круг Фроста. Полупроводниковая бесконечная цепь.
Лекция 7
Межэлектронное взаимодействие и экситоны. Энергия межэлектронного отталкивания в неорганических и органических полупроводниках. Экситоны Ванье-Мотта и Френкеля. Особенности 1D и 2D экситонов.
Лекция 8
Межэлектронное взаимодействие и экситоны. Модель Хаббарда. Спиновые волны. Дипольно-запрещенные и триплетные состояния (экситоны). Ag и Bu cостояния. H и J-агрегация. Давыдовское расщепление.
Лекция 9
Движение атомных остовов. Адиабатическое приближение. Колебательная структура в спектрах поглощения и люминесценции. Принцип Франка-Кондона. Факторы Франка-Кондона и Хуанга-Риса. Стоксов сдвиг.
Лекция 10
Движение атомных остовов. Неадиабатические переходы. Релаксация фотовозбуждения в молекулах. Излучательные и безызлучательная релаксация в органических полупроводниках.
Лекция 11
Фотофизика, диаграмма Яблонского. Переходы с изменением мультиплетности, фосфоресценция.
Лекция 12
Транспорт энергии и заряда. Модель Су-Шриффера-Хигера (SSH). Переход Пайерлса в 1D цепочке. Топологические солитоны в транс полиацетилене. Поляроны и биполяроны.
Лекция 13
Транспорт энергии и заряда. Декстеровский и фёрстеровский перенос энергии. Длины диффузии и времена жизни экситонов. Синглетные и триплетные экситоны: деление и слияние, задержанная флуоресценция.
Лекция 14
Транспорт энергии и заряда. Зонный и прыжковые механизмы транспорта. Интеграл перекрытия. Энергия реорганизации. Модель Маркуса. Квазизонный транспорт в органических полупроводниках. Особенности транспорта зарядов в 2D полупроводниках. Задачи дизайна органических полупроводников с предсказуемой подвижностью зарядов.
Лекция 15
Коллоквиум. Выступления слушателей по выбранной теме в рамках курса.
