#2 Steady-State Fotokonduktif Elektronika Organik Eka Maulana, ST., MT., MEng. Teknik Elektro Universitas Brawijaya Senin, 25 Februari 2013
Kerangka materi Tujuan: Memberikan pemahaman tentang mekanisme efek fotokonduktif dalam bahan organik. Konsep fotokonduktif Penyerapan cahaya Steady-state fotokonduktif mekanisme pergerakan elektron bebas dan hole, bahan fotokonduktor organik untuk aplikasi optik 2
Pertanyaan Dasar Bagaimana cara merubah cahaya menjadi aplikasi elektronik? Keajaiban Elektron energi lain Cahaya semikonduktor Current (Elektron) 3
Fotokonduktif Konsep Dasar Fotokonduktif: Fenomena optis dan elektris dalam material semikonduktor yg mempengaruhi daya hantar listrik. Pengaruh konduktivitas yang diakibatkan oleh penyerapan gelombang elektromagnetik. Paparan cahaya mengenai material semikonduktor sehingga menyebabkan pertukaran elektron-hole. Energi foton memicu pergerakan elektron bebas dalam Diagram Tingkat Energi [valence band conduction band]. Foton Bahan Organik Konduktivitas material 4
Cahaya ~ sumber energi bebas tak terbatas Cahaya memiliki sifat dualisme Gelombang elektromagnetik (Teori Maxwell) dengan tertentu Kecepatan propagasi c Gelombang radio, Microwave, IR, Visible, UV, X-Ray, -Ray Paket energi, foton atau partikel (teori Planck & Einstein) Sifat-sifat cahaya Propagasi Polarisasi Interferensi Difraksi Radiasi E hc o 1240eV nm o 5
Sifat-sifat Cahaya Warna o (nm) f (Hz) E foton (ev) red 630-760 ~4.5 x 10 14 ~1.9 orange 590-630 ~4.9 x 10 14 ~2.0 yellow 560-590 ~5.2 x 10 14 ~2.15 green 500-560 ~5.7 x 10 14 ~2.35 blue 450-500 ~6.3 x 10 14 ~2.6 violet 380-450 ~7.1 x 10 14 ~2.9 Cahaya dengan panjang gelombang o < 400 disebut ultraviolet (UV). Cahaya dengan panjang gelombang o > 700 nm disebut infrared (IR). Cahaya tersebut tidak dapat kita lihat langsung, namaun bisa dirasakan dengan cara mendeteksi efek panasnya (IR) dan dampak yang terlihat pada penderita kebakaran kulit karena UV. 6
Efek Fotokonduktif Spektrum Elektromagnetik Diagram Tingkat Energi Elektron Foton Pita Konduksi (e,h) Selisih pita energi Pita Valensi 7
Latarbelakang Pendekatan Konsep Diilhami dari mekanisme fotosintesis Cahaya Karbon dioksida Air Karbohidrat Oksigen 8
Pengaruh Panjang Gelombang Cahaya dan Proses Pelepasan Elektron 9
Mekanisme transfer energi sering terjadi dalam sistem biologi 10
Optical Generation dari Model elektron bebas dan hole foton Conduction Band (hampir) Kosong terlarang Valence Band (hampir) terisi penuh Gap Energi Energi Elektron Jika foton memiliki energi yang lebih besar daripada Gap Energi, foton akan diserap oleh semikondukor, mengeluarkan elektron dari pita valensi ke pita konduksi, dimana elektron bebas untuk bergerak. Hole bebas berada disebelah kiri pada pita valensi. Proses penyerapan (absorbsi) ini mendasari operasi detektor cahaya fotokonduktif, fotodioda, fotovoltaik (solar) cell, dan kamera solid-state. 11
Pita Energi dalam Material 12
Carrier Generation and Recombinations Melalui mekanisme pasangan elektron & hole. Hamburan transport bisa terjadi karena variasi ketidaksempurnaan kristal. The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Conduction Band Valence Band Pada equilibrium termal Dibawah illuminasi optis 13
Transisi Pita ke pita adalah interaksi optoelektronik dalam semikonduktor 14
Prinsip Kerja Efek Fotokonduktif Energi Band Gap (Eg) Kondisi (I): tidak ada foton; (II): E f >E g ; (III): terdapat aceptor 15
Sifat-Sifat Optis Energi foton (hf) harus lebih besar atau melebihi gap energi semiconduktor (E g ). Hamburan mempengaruhi transport elektron and hole Dua jenis hamburan: Absorpsi foton Emisi foton(dari rekombinasi e&h) Pita Konduksi Foton Foton Pita Valensi Absorpsi Emisi 16
Emisi-emisi Foton (Radiative Recombination) Emisi spontan Tidak membutuhkan foton pemicu Emisi tak-koheren contoh: LED Emisi terstimulasi Mensyaratkan sejumlah foton Emisi Koheren contoh: Laser dioda Rekombinasi Radiatif Pasangan elektron-hole dari injeksi muatan (dari cahaya atau baterai external) Gain: (Emisi - Absorpsi) Sinar optik akan tumbuh sebagai hasil Gain positif Rekombinasi Non-radiatif Pita Konduksi - - Ketika rekombinasi menghasilkan panas atau phonon + - - - + + + + E c E v Pita Valensi E g E e E h hω 17
Photoconductive Light Detectors E=hf Semikonduktor I V out Foton memiliki energi yang lebih besar daripada gap energi semikonduktor yang diserap, Sehingga menciptakan elektron** bebas dan hole bebas, mengakibatkan resistivitas r semikonduktor menurun (konduktivitas meningkat) 18
Jenis-jenis Detektor Foton (anorganik) 19
PV cell Organik Single layer 20
Proses Pembangkitan Photocurrent 21
Photocurrent, Photovoltage, Absorpsi 22
Material Fotokonduktor Organik Organik PhotoConductor 23
Material Fotokonduktor Organik 24
Tugas Individu 1. Jelaskan Sifat dasar material organik fotokonduktor. 2. Jelaskan mekanisme exiton. 3. Jelaskan struktur dan sifat material organik PTCDA. Tugas softcopy (ELORFotokonduktif_[Nama].doc/docx) dikirim ke : email : ekamaulana@ub.ac.id Subject: ELORFotokonduktif_[Nama] Material Organik Elektonika Organik 25
Penyerapan panjang gelombang cahaya pada 5-Polyacen Material Organik Elektonika Organik 26
Struktur Molekul prototype semikonduktor organik PPV: poly(p-henylenevinylene) PFO: polyfluorene, P3AT: poly(3-alkylthiophene), Alq3: tris(8-hydroxyquinoline) aluminium, fullerene C60, CuPc: Cu-phthalocyanine, Material Organik Elektonika Organik 27
Molekul Material Organik Transistor Commonly used organic molecules. Both α-4t and α-6t are a chain of thiophene rings, and tetracene and pentacene are polyacenes (fused benzene rings). C60 possesses a fullerene-type ball structure. CuPc and F-CuPc have a coordinate structure. (Liang Wang, Nanoscale Organic and Polymeric Field-Effect Transistors and Their Applications as Chem. Sensors, Ph.D. dissertation, The University of Texas at Austin.) 28
Sumber material alam Material Organik Elektonika Organik 29
Informasi maulana.lecture.ub.ac.id Material Organik Elektonika Organik 30