Organik Elektronikler için Kullanılan Yüksek Floresans Özellikteki Malzemelere Genel Bakış

Mayıs 14, 2018, 1:44 pm
20 dakika

Organik Elektronikler
Yard. Doç. Dr. 
Sultan Funda Ekti
Anadolu Üniversitesi
Fen Fakültesi
Kimya Bölümü

 

 

Organik elektronikler, düşük maliyetli mikroelektronik teknolojisi için yeni bir temel oluşturmaktadır. Vakum tüplerinden başlayarak,
organik cihazların, transistörlerin, ışık yayan diyotların ve fotovoltaik hücrelerin yükselişine kadar mikroelektroniklerin geliştirilmesi
tarihsel bir evrimdir. Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid ve Hideki Shirakawa “İletken polimerlerin keşfi ve geliştirilmesi”
alanındaki çalışmalarından ötürü 2000 yılında NOBEL ödülüne layık görülmüşlerdir. Özellikle bu gelişmeden sonra sadece Işık
Teknolojisiyle kalmayıp birçok alanda kullanılabilecek iletken ve yarı iletken polimerlere verilen önem daha da artmıştır. Yazıcıda
basacağınız güneş pillerinden, rulo yapıp cebinize koyabileceğiniz bilgisayar ekranlarına kadar bir dizi teknolojiyi yaratmak için de
“Organik Elektronikler” alanı kullanılır. “Organik Elektronikler”, adını, geleneksel elektronikte olduğu gibi silisyum yerine karbon
bazlı malzemelerle yapılan “organik” yarı iletkenlerin kullanılmasından almaktadır. Optoelektronik kaplamalar hala geliştirilirken-
organik elektronikler zaten satın aldığımız teknolojiyi değiştirmektedir. Organik yarı iletken malzemeler tipik olarak iki çeşit
karşımıza çıkarlar: On veya yüzün katları atom içeren küçük moleküllü ya da birbirini tekrarlayan binlerce molekül içeren uzun
zincirler (plastikler). Uzunca bir süre, yarı iletken plastikler ve küçük moleküller, modern bilgisayar çiplerinde kullanılan inorganik
(karbon içermeyen) yarı iletkenlerin gerisinde kalmıştır. Ancak yapılan son çalışmalar ve gelişmelerden sonra organik yarı iletkenler
yeterince iyi performans göstermektedir ve yeni uygulamalarda kullanılmak üzere ticarileşmektedir. Silikon türevleriyle yapılması
imkânsız modifikasyonlar, organik yarı iletkenler ile yapılmaktadır. Bu modifikasyonlar içinde en göze çarpanı organik malzemeyi
mürekkebe dönüştürmektir. Bu, elektronik devreleri basmanın, gazete basımı kadar hızlı parçalar üretme potansiyeline sahip
olduğu anlamına gelir. Plastik malzeme tabanlı oldukları için bu devreler de esnek hale getirilebilir ve artık sert kutuların içine
oturtulmasına gerek kalmaz.

Organik elektronikler içerisinde önemli bir yeri olan OLED’ler (Organic Light Emitting Diode-Organik Işık Yayıcı Diot) ilk olarak
Kodak şirketi tarafından 1987 yılında geliştirilmiş bir teknolojidir. Bu cihazlar, Liquid Crystal Display (LCD-Sıvı kristal görüntüleme)
teknolojisine alternatif olarak sunulmaktadır. OLED’lerin düşük enerji tüketmesi, ince ve hafif olması sayesinde, düz ekranların yanı
sıra son zamanlarda akıllı telefonlarda ve tablet bilgisayarlarda kullanımı yaygınlaşmıştır. Fakat bu malzemelerin zamanla
parlaklıklarını yitirdikleri şeklinde geri dönüşler alınmıştır. Bu ve benzeri eksiklikleri gidermek ve daha iyi bir teknoloji sunmak
amacıyla yüzlerce araştırma ve çalışmalar yapılmaktadır. Araştırmaların ve iyileştirme çalışmalarının hız kazanması ile OLED
teknolojisi gelişmekte olan ve gelecek vaad eden bir teknoloji haline gelmiştir. Işık yayan diyotların (Light Emitting Diode, LED) son
türü “Organic Light Emitting Device” ya da “Organic Light Emitting Diode” açılımına sahip bir kısaltmadır. “Organic
Electroluminescent Device” (OEL-Organik elektrolüminesans aygıt) olarak da anılır. Tipik olarak iki elektriksel bağlantı (elektrot)
arasında kalan ve ışık yayan bir dizi organik ince film katmanından oluşur. OLED’ler molekül ağırlığı düşük organik malzemeler
(SM-OLED- small molecule OLED: küçük moleküllü OLED) veya polimer temelli malzemeden (PLED, LEP) oluşur. Farklı
katmanlara sahip LCD’ler ve esnek ışık yayıcı diotlardan (Flexible light emmitting diode, FED) farklı olarak OLED’ler monolitiktirler
(tek katmanlı). Çünkü yapılışı sırasında her katman diğeri üzerine kaplanarak yekpare olacak şekilde üretilir. Başlangıçta gösterge
uygulamaları için geliştirilen OLED’ler parlak renkli görüntüleri ile düşük güçte geniş görüş açısı sağlayan ekranların yapılabilmesini
sağlamışlardır. LCD ekranlarda olduğu gibi bunlar için arkadan aydınlatma gerekmez. OLED’ler genelde cam üzerinde üretilirler
ancak plastik ve kıvrılabilir malzeme üzerinde de olabilmektedirler. Universal Display’in yaptığı esnek (kıvrılabilir) OLED modeli
“FOLED (flexible-OLED)” buna örnek olarak gösterilebilir. Kalemin rulo şeklinde sarılmış bir ekran olması gibi ekranların
üretilmesinin ileride taşınabilir cihazlarda devrim yaratacağı açıktır. Tüm dünyada gelişmekte olan OLED teknolojisi hem
aydınlatma hem de görüntü teknolojisi sektörleri için gerçek bir devrim niteliğindedir. OLED teknolojisi TÜBİTAK’ın “Vizyon 2023″
raporunda da öncelikli bir teknolojik faaliyet alanı olarak listelenmiştir.

LED gibi, OLED de katı bir yarı iletken düzenektir. 100 ile 500 nanometre (Nanometre:Metrenin milyarda biri.) kalınlığında, ya da
yaklaşık olarak insan saçından 200 kat daha incedir. OLED’lerin iki ya da üç organik katmanı vardır, üç katmanlı tasarımda,
sonuncu katman, katottan ışık yayan tabakaya elektronların taşınmasına aracılık eder. İki katmanlı tasarım düşünüldüğünde OLED
şu parçalardan oluşur:

 

Organik Elektronikler

Şekil 1. Oled Bileşenleri

Substrat: OLED’i destekleyen, yataklık eden tabakadır.
Anot: Cihazdan akım geçerken, elektronların geçebilmesi için artı yüklü oyuklar oluşturur ve şeffaftır.
Organik Katmanlar: Bu katmanlar organik moleküllerden veya polimerlerden yapılır.
•İletim katmanı: Bu tabaka organik plastikten (polianilin vb.) imal edilir ve anottan elektron oyukları taşır.
•Yayıcı katman: İletim katmanından farklı organik plastikten (polifloren vb.) yapılır, katottan elektronları taşır, işte asıl ışık burada
oluşur.
Katot: OLED’in türüne bağlı olarak şeffaf da olabilir. Katot, cihaza gerilim uygulandığında elektronları veren tabakadır.

1980’li yıllarda yapılan ilk OLED çalışmalarında küçük organik moleküllerin kullanıldığı bilinmektedir. Her ne kadar küçük moleküller
parlak ışık yaysa da bilim adamları, organik katman oluşturmak üzere, bu molekülleri substratın yüzeyine kaplarken bazı sıkıntılar
yaşamışlardır (vakumlu odada yoğunlaştırma yöntemi gibi). 1990’lı yıllardan itibaren araştırmacılar, daha ucuza mal edilebilmeleri
ve büyük alanlar üzerine yayılabilme özelliklerinden dolayı ışık yayıcı olarak büyük polimer moleküller kullanmaya başlamışlardır.

Floresans polimerler lazer, non-lineer optik, sensör ve LED uygulamalarında önemli rol oynamaktadır. İncelenen birçok floresans
polimerlerin içinde, floren türevleri ilgi çekmiştir. Bu polimerlerin doğasında var olan sürekli yüksek emisyon verimleri, floren
polimerlerinin OLED’lerde kullanımına uygun olduğunu göstermektedir.


Şekil 2. Floren temelli floresans polimerin 365 nm altındaki görüntüsü

 

Poliflorenlerin sentezinde Gilch, Horner-Emmons, Suzuki, Yamamato ve Stille yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemler
kullanıldığında polimerleşmeleri yüksek verimle gerçekleştirmek mümkün olsa da oldukça zorlayıcı koşullar gerektirmektedir.
Ayrıca elde edilen maddelerin yüksek renk saflığında olabilmesi için önemli saflaştırma basamaklarından geçirilmesi gerekmektedir.

Poliazometinlerle yapılan çalışmalarda reaksiyonların gerçekleşme şartları daha kolaydır. Bu reaksiyonlarda katalizörlere gereksinim
yoktur. Reaksiyon sonucunda tek bir yan ürün oluşur ve yan ürünlerden kurtulmak için kapsamlı bir saflaştırma yapmaya gerek
yoktur.

Uygun elektron çekici ya da itici grupların seçilmesiyle konjuge azometinlerin elektronik özellikleri ayarlanabilmektedir. Frere ve
arkadaşları tarafından azometin grubuna bağlı uzatılmış benzodifuran-tiyofen sistemleri sentezlenmiştir. Tiyofen grubunun elektron
verici benzodifuran üzerinde bulunan elektron çekici grupların dönüşümlü voltametre ve UV-vis spektroskopisi sonucunda elde
edilen elektronik özellikleri üzerine etkisi bakılmıştır. Benzodifuran (BDF) tabanlı donör-akseptör sistemleri geliştirmişlerdir.
Sentezlenen BDF tabanlı azometin bileşiklerinin dönüşümlü voltametre ve UV-vis spektroskopisi analizlerinin yanı sıra teorik
hesaplamaları B3LYP/6-31G(d,p) (B3LYP-Becke-3-Lee-Yang-Parr) yöntemiyle yürütülmüştür. BDF üzerindeki elektron çekici
grupları çoğaldıkça HOMO-LUMO enerji seviyelerinin sabitlendiği görülmüştür. Öte yandan tiyofen kısmına elektron itici bir grup
bağlandığında dikatyon hale sebep olduğu, pozitif yüklü yükseltgenmiş halin kararlılığının arttığı görülmüştür.

Farklı polimerizasyon derecelerine sahip konjuge tiyofeno azometinler de sentezlenmiştir. Moleküler ağırlıkları ve polidispersiite
(çok dağılımlılık) indisleri dinamik bileşen amin aktarımı yerine aşamalı büyüme ile uygunluk göstermektedir. Nötral bileşiklerin,
konjugasyon derecelerine bağlı olarak absorbanslarının 450 nm ile 630 nm arasında ayarlanabileceği bulunmuştur. Bileşiklerin
yükseltgenmiş absorbansları ise 490 nm ile 1111 nm arasında değişim göstermektedir. Böylelikle, hazırlanan azometin bileşiklerinin
görünür ve yakın IR bölgelerinde renk değiştirdiği tespit edilmiştir. Bununla birlikte, konjuge azometinlerin çözelti içerisinde
elektrokromik özellikleri araştırılmış ve elektrokromik cihazları hazırlanmıştır. Buna göre +2V,-2V aralığında mavi ve renksiz haller
elde edilmiştir.

Organik Elektronikler

Şekil 3. Elektrokromik özellik gösteren bir azometin bileşiği

Organik güneş pilleri de OLED’ler gibi düşük maliyeti, yarı şeffaflığı, esnekliği ve hafif olmasından dolayı silikon içeren güneş
pillerine en iyi alternatiflerdendir. Bir süredir fulleren türevleri organik güneş pillerinde akseptör olarak kullanılmaktadır. Bu türevler
elektron ileten polimerler ve küçük moleküllerle beraber kullanıldıklarında organik güneş pillerinin verimliliği %11’in üstüne çıkmıştır.
Ancak fullerenlerin görünür bölgede zayıf absorpsiyon göstermesi, HOMO-LUMO band enerji aralıklarının ayarlanamaması ve sabit
olmayan morfolojiye sahip olması gibi dezavantajları vardır. Bu sebeple fullerenler organik güneş pillerinin gelişmesini
engellemektedir. Buna karşın, fullerensiz akseptörler, görünür ve yakın-kırmızı bölgelerinde yüksek absorpsiyona, ayarlanabilir enerji
seviyelerine, cihaz dayanıklılığına, kolay sentezlenebilme ve saflaştırılabilme özelliğine sahiptirler. Bundan dolayı fullerensiz
akseptörlerin araştırılması hız kazanmıştır.

Tiyenotiyofen (TT) ve türevlerinin sentezleri ve uygulamaları literatürde geniş bir alanı kaplamaktadır. TT, birleşik tiyofenlerin
grubundan iki halkalı yapıya sahip olan en küçük rijit moleküldür. Tiyofen halkası diğer heterosiklik bileşiklerle (furan, selenofen vb.)
karşılaştırıldığında, yüksek kimyasal ve termal kararlılığa sahip olması, yapısal modifikasyonlara izin vermesi ve elektronca zengin
olması gibi avantajlara sahiptir.

Eğer siz de laboratuvarınızda yukarıda bahsedilen özellikte moleküller sentezlemek istiyorsanız izlemeniz gerek enbazı yollar
aşağıda ana hatları ile verilmiştir:

Organik elektroniklerde kullanılmak üzere sentezlenmesi amaçlanan moleküllerin öncelikle bilgisayar destekli kimyasal
hesaplamalar ile molekül konformasyonları ve HOMO-LUMO band enerji aralıkları incelenmelidir. Konformasyonlarda moleküllerin
düzlemselliği konjugasyonun bozulmaması için önemlidir. Konjügasyonlardaki bozulmalar HOMO-LUMO band enerji aralığını
artırmaktadır. Bu istenmeyen bir durumdur. OLED uygulamalarında kullanılacak malzemelerin band aralıklarının 3 eV, organik
güneş pillerinde ise bu değerin 2 eV’un altında olması istenir. Hesaplamalar sonucunda istenen band enerji aralığına sahip
moleküllerin sentezi gerçekleştirildikten sonra bu moleküllerin elektrokimyasal analizleri yapılır. Elektrokimyasal analizler
sonucunda dönüşümlü bir voltamogram elde ediliyorsa moleküllerin elektrokromik özellikleri incelenebilir. Elektrokromik özellik
gösteren moleküllerin spektrokimyasal analizleri yapılır. Gerilim uygulandığında spektrumda var olan absorbansların şiddetleri
azalırken yeni absorbsiyon eğrileri elde ediliyorsa maddelerin floresans incelemeleri yapılır. Son olarak floresans kuantum
verimleri ölçülür. Floresans kuantum verimi 1’e ne kadar yakınsa bu maddelerin OLED veya organik güneş pillerindeki potansiyel
kullanımları için tek katmanlı basit cihaz çalışmaları yapılabilir.

Organik Elektronikler

Şekil 4. Floresans özellik gösteren ditiyenotiyofen bileşiklerinin 365 nm ışıma altındaki
resimleri ve cihaz çalışmaları

 

Bir gün, en son aldığınız teknolojik cihazınız cebinizde bir telefon veya bileğinize takılı bir akıllı saat olmayacak. Cildinize şeffaf bir
sıva gibi yapışacak, elinizin üstüne takılabilen ultra ince, esnek bir LED ekrana sahip optoelektronik cilde sahip olmanıza çok az
kaldı. Tokyo Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bu konuda çalışan en son gruptur. Eğer siz de bu optoelektronik ciltleri merak
ediyorsanız bir göz atmanızı tavsiye ederim.

Bu yazıda kullanılan fotoğraflar için Sayın Prof. Dr. Turan Öztürk ve Prof. Dr. William Skene’e teşekkür ederim.

Referanslar 
A. Faccinetto, S. Mazzucato, D. Pedron, R. Bozio, S. Destri and W. Porzio, ChemPhysChem, 2008, 9, 2028.
M. YildIrIm and I. Kaya, Synth. Met., 2011, 161, 13
A. C. Grimsdale, K. Leok Chan, R. E. Martin, P. G. Jokisz and A. B. Holmes, Chem. Rev., 2009, 109, 897.
Szarko, J. M.; Guo, J.; Rolczynski, B. S.; Chen, L. X. J. Mater. Chem. 2011, 21, 7849.
Wei, W.; Yu, N.; Zhu, R.; Peng, B.; Huang, W. J. Appl. Polym. Sci. 2008, 108, 2438.
Jin, S.-H.; Kang, S.-Y.; Kim, M.-Y.; Chan, Y. U.; Kim, J. Y.; Lee, K.; Gal, Y.-S. Macromolecules 2003, 36, 3841.
Phanichphant, S.; Anuragudom, P.; Newaz, S. S.; Lee, T. R. Macromolecules 2006, 39, 3494.
Leclerc, M.; Ranger, M.; Rondeau, D. Macromolecules 1997, 30, 7686.
Scherf, U.; Nothofer, H. G.; Meisel, A.; Miteva, T.; Neher, D.; Forster, M.; Oda, H.; Lieser, G.; Sainova, D.; Yasuda, A.; Lupo, D.;
Knoll, W. Macromol. Symp. 2000, 154, 139.
Miller, R. D.; Kreyenschmidt, M.; Klaerner, G.; Fuhrer, T.; Ashenhurst, J.; Karg, S.; Chen, W. D.; Lee, V. Y.; Scott, J. C.
Macromolecules 1998, 31, 1099.
Frere, P., Gohier, F. ve Moussalem C. (2015), Tetrohedron Letters, 56, 5116.
Barik S., Navarathne D., LeBorgne M. ve Skene W. G. (2013c), Journal of materila Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 1, 5508.
Yokota T., Zalar P., Kaltenbrunner M., Jinno H., Matsuhisa N., Kitanosako H., Tachibana Y., Yukita W., Koizumi M., Someya
T, Sci. Adv. 2016; 2: e1501856
Lu L., Zheng T., Wu Q., Schneider A.M., Zhao D., Yu L., Chem. Rev., 115, 12666-12731, 2015.
Lin Y., Zhan X., Acc. Chem. Res., 49, 175-183, 2016.
Li S., Zhang Z., Shi M., Li C.-Z., Chen H., Phys.Chem.Chem.Phys., 19, 3440-3458, 2017
Cinar M.E., Ozturk T., , Chem. Rev., 115, 3036-3140, 2015.
http://www.oled-info.com
http://electronics.howstuffworks.com/oled1.htm

 

  • (gizli tutulacaktır)