DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI Mario Barra CNR-INFM Coherentia - Dipartimento di Scienze Fisiche Università di Napoli Federico II Laboratorio CARATTERIZZAZIONE DI DISPOSITIVI E MATERIALI ORGANICI E IBRIDI CARATTERIZZAZIONE DI DISPOSITIVI E MATERIALI ORGANICI E IBRIDI (Dip. Scienze Fisiche, Facoltà di Ingegneria, Piazzale Tecchio 80, Napoli) Responsabile: Antonio Cassinese “LE IDEE DELLA RICERCA AL LAVORO” NAPOLI, 27 FEBBRAIO 2008

COLLABORAZIONI / INTERDISCIPLINARIETA’ Dip. Chimica, Università di Napoli Federico II, prof. A. Roviello, dott. A. Carella - Sintesi di nuovi semiconduttori organici Dip. Ingegneria Chimica, Università di Napoli Federico II, Prof. S. Guido, dott. G. Tomaiuolo, dott. V. Preziosi – Fabbricazione di dispositivi microfluidici Istituto per lo studio dei Materiali Nanostrutturati – CNR Bologna, dott. Alek Dediu, dott. F. Biscarini Spintronica organica – Dispositivi a effetto di campo funzionalizzati Istituto per i Materiali Compositi e Biomedici - CNR Napoli (dott. Anna Borriello)/ IMAST SCARL (dott. L. Sanguigno) – Integrazione e ottimizzazione di film organici per dispositivi complessi ENEA – Centro di Ricerche Portici, dott. C. Minarini – Caratterizzazione elettrica dispositivi OLED DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI STMicroelectronics – Post Silicon Technology Group – Memorie organiche ORGANIC SPINTRONICS – spin-off CNR BOLOGNA, prof. C. Taliani – Spin valve organiche

DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI DEFINIZIONI Si definisce organico qualsiasi composto del Carbonio (C) in cui questi abbia numero di ossidazione inferiore a +4. Altri atomi componenti: H, N, O e in minor misura S, Si. (Es. materiali plastici) I materiali organici in grado di condurre (semiconduttori) sono basati su molecole coniugate (legami π - π*) MOLECOLA BENZENE SEMICONDUTTORI ORGANICI SOFT MATTER (materia soffice) OLIGOMERI POLIMERI DIVERSO PESO MOLECOLARE DIVERSO PESO MOLECOLARE DIVERSI PROCESSI DI FABBRICAZIONE DEI FILM (EVAPORAZIONE, SPIN COATING, INK-JET, ROLL TO ROLL) DIVERSI PROCESSI DI FABBRICAZIONE DEI FILM (EVAPORAZIONE, SPIN COATING, INK-JET, ROLL TO ROLL) DIVERSE PROPRIETA’ ELETTRICHE (LEGATE ALLA STRUTTURA DEI FILM) DIVERSE PROPRIETA’ ELETTRICHE (LEGATE ALLA STRUTTURA DEI FILM)

Micro-Elettronica attuale è basata sul Silicio Miniaturizzazione: Approccio TOP DOWN Il raggiungimento dei limiti della tecnologia attuale in Si giustificano l’interesse per nuovi materiali elettronici. DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI SCENARIO CLASSICO MOSFET Lunghezza di canale OGGI: Verso 45 nm Materiali organici – Elettronica Molecolare Miniaturizzazione: Approccio BOTTOM UP – Self Assembling – Single Molecule Devices

DISPOSITIVI CON CARATTERISTICHE INNOVATIVE BASSO COSTO BASSO COSTO SUBSTRATI FLESSIBILI, TRASPARENTI, AMPIE DIMENSIONI SUBSTRATI FLESSIBILI, TRASPARENTI, AMPIE DIMENSIONI TAILORING CHIMICO e FISICO: infiniti materiali con proprietà specifiche (emissione luce, sensibilità ad agenti chimici e biologici) TAILORING CHIMICO e FISICO: infiniti materiali con proprietà specifiche (emissione luce, sensibilità ad agenti chimici e biologici) DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI Oggi, i film organici per l’elettronica (sia oligomerici che polimerici) presentano prestazioni molto inferiori al Si CRISTALLINO Transistori organici per applicazioni tessili (integrazione con tessuti) Più in generale, i semiconduttori organici rappresentano un nuovo paradigma per l’ELETTRONICA (PLATIC ELECTRONICS)

DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI TECNICHE DI DEPOSIZIONE – FILM POLIMERICI (da soluzione) INK-JET Printing CIRCUITI DAVVERO STAMPATI RISOLUZIONE μm ROLL TO ROLL Printing Produzione in larga scala di dispositivi su substrati flessibili

E-PAPER: FLEXIBLE ACTIVE-MATRIX DISPLAYS - FOGLIO ELETTRONICO ESEMPI APPLICATIVI: ELECTRONIC PAPER DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI EX SPIN-OFF DELL’UNIVERSITA’ CAMBRIDGE Si prevede che la produzione inizierà nel Nuova factory a Dresda – $100 mln di investimento (INVESTITORI PRIVATI) CIRCUITI LOGICI POLIMERICI CHE PILOTANO LED ORGANICI (PIXEL) TV -OLED

ESEMPI APPLICATIVI: RFID TAGS – ORGANICHE DIS. PASSIVI (SENZA BATTERIE) !!! RFID: Dispositivi che operano con segnali a radio frequenza (es MHz) capaci di identificare prodotti, con informazioni più o meno complesse. DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI Etichette RFID sono già prodotte in Silicio – costo $ $1.00 per tag. Uso di materiali organici può ridurre il costo di un ordine di grandezza (<0.05$)- In questo modo si prevede di poter sostituire i CODICI A BARRE (Lettura ottica) Price-sensitive mass markets

DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI PROSPETTIVE ….IDTechEx forecast plastic electronics will be a $48 billion industry by 2017, and could reach as much as $300 billion by 2027…. (Organic Electronics Association) FONTE FONTE: EVOLUZIONE DEL MERCATO DELL’ELETTRONICA ORGANICA

DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI REALIZZAZIONE DI DISPOSITIVI MULTISTRATO – PICCOLE AREE REALIZZAZIONE DI DISPOSITIVI MULTISTRATO – PICCOLE AREE Sistema di Evaporazione a fascio molecolare basato su celle di Knudsen in Alto Vuoto (10 -8 mbar) - Dip. Scienze Fisiche d Napoli Sistema di Evaporazione a fascio molecolare basato su celle di Knudsen in Alto Vuoto (10 -8 mbar) - Dip. Scienze Fisiche d Napoli TECNICHE DI DEPOSIZIONE – OLIGOMERI TECNICHE DI CARATTERIZZAZIONE DELLE PROPRIETA’ ELETTRICHE Misure DC – AC (frequenza fino a 10 GHz) su film sottili e materiali bulk Misure DC – AC (frequenza fino a 10 GHz) su film sottili e materiali bulk Conducibilità dai semi-isolanti ( S/cm) ai superconduttori Conducibilità dai semi-isolanti ( S/cm) ai superconduttori Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K ( °C) Temperature tra 400K (circa 130 °C) fino a 4.2 K ( °C) Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte) Misure in vuoto o atmosfera controllata (gas inerte)

SPIN VALVE DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI ESEMPI DI CARATTERIZZAZIONE ELETTRICA PDMS Tg evaluation ESEMPI DI STRUMENTAZIONE DISPONIBILE PROBE STATION CROGENICA ESEMPI DI STRUMENTAZIONE DISPONIBILE PROBE STATION CROGENICA Si ++ (GATE ) D T6 S FET ORGANICI SiO 2

TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale) TECNICHE DI FOTOLITOGRAFIA (convenzionale) DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI USO DI MASCHERE POLIMERI FOTOSENSIBILI (FOTORESIST) per la realizzazione di dispositivi/circuiti con la risoluzione del μm su metalli, semiconduttori inorganici, superconduttori ATTACCHI CHIMICI SELLETTIVI ESEMPIO - FILTRO SUPERCONDUTTIVO (Dip. Scienze Fisiche Un. di Napoli) 40mm25mm Filter LNA Filtro HTS (YBCO) su MgO integrato con LNA UMTS – Telefonia Mobile 3° generazione maschera resist Illuminazione UV

TECNICHE DI SOFT LITOGRAPHY TECNICHE DI SOFT LITOGRAPHY DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI per la definizione di rilievi micrometrici in film elastometrici (Pdms) maschera resist Illuminazione UV Analogo processo con definizione di uno stampo per PDMS 3.5 mm Geometria del canale variabile ESEMPIO – STUDIO DI DEFORMABILITA’ DEI GLOBULI ROSSI IN MICROCANALI DI PDMS – in collab. Dip. ING. CHIMICA (Un. di Napoli ) PIU’ INFO nelI’intervento di Stefano Guido, Giovanna Tomaiuolo PIU’ INFO nelI’intervento di Stefano Guido, Giovanna Tomaiuolo Analisi della deformabilità di globuli rossi mediante sistemi Lab-on-chip.

POSSIBILE ESEMPIO APPLICATIVO: FANTASIA (MA NON TROPPO) DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI DISPOSITVI CHE INTEGRANO FILM ORGANICI E MICROCANALI IN PDMS – SENSING AND MANIPULATION Si doped Gate SiO 2 dielectric Drain Source Organic film PDMS micro- channel Micro-fluid ESEMPIO: Someya, T., et al., Langmuir (2002) 18, 5299 FLOW ON FLOW OFF

GRAZIE PER L’ATTENZIONE !!! DISPOSITIVI ELETTRONICI INNOVATIVI BASATI SU SEMICONDUTTORI ORGANICI