#2 steady-state fotokonduktif -...

Elektronika Organik

Eka Maulana, ST., MT., MEng.

Teknik ElektroUniversitas Brawijaya

#2 Steady-State Fotokonduktif

Senin, 25 Februari 2013

Kerangka materi

• Tujuan:

Memberikan pemahaman tentang mekanisme efek

fotokonduktif dalam bahan organik.

2

Konsepfotokonduktif

Penyerapancahaya

Steady-statefotokonduktif

mekanisme pergerakan elektron bebas dan hole, bahanfotokonduktor organik untuk aplikasi optik

Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Bagaimana cara merubah cahaya menjadi aplikasi elektronik?

KeajaibanKeajaiban ““ElektronElektron””

semikonduktor

CahayaCahaya

energienergi lainlain

CurrentCurrent((ElektronElektron))

3Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Pertanyaan Dasar

Fotokonduktif

Konsep Dasar Fotokonduktif: Fenomena optis dan elektris dalam material

semikonduktor yg mempengaruhi daya hantar listrik.

Pengaruh konduktivitas yang diakibatkan olehpenyerapan gelombang elektromagnetik.

Paparan cahaya mengenai material semikonduktorsehingga menyebabkan pertukaran elektron-hole.

Energi foton memicu pergerakan elektron bebas dalamDiagram Tingkat Energi [valence band – conduction band].

4

BahanOrganik

Foton Konduktivitasmaterial

Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

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

oo

nmeV1240hcE

5Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Sifat-sifat Cahaya

WarnaWarna oo (nm) (nm) f (Hz)f (Hz) EEfotonfoton ((eVeV))

red 630-760 ~4.5 x 1014 ~1.9orange 590-630 ~4.9 x 1014 ~2.0yellow 560-590 ~5.2 x 1014 ~2.15green 500-560 ~5.7 x 1014 ~2.35blue 450-500 ~6.3 x 1014 ~2.6violet 380-450 ~7.1 x 1014 ~2.9

Cahaya dengan panjang gelombang oo < 400 disebut ultraviolet (UV).

Cahaya dengan panjang gelombang oo > 700 nm disebut infrared (IR).

Cahaya tersebut tidak dapat kita lihat langsung, namaunbisa dirasakan dengan cara mendeteksi efek panasnya (IR) dan dampak yang terlihat pada penderita kebakaran kulitkarena UV.

6Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Efek Fotokonduktif

7

Spektrum Elektromagnetik

Selisih pita energi

FotonPita Konduksi

Pita Valensi

Diagram Tingkat Energi Elektron

(e,h)

Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Latarbelakang Pendekatan Konsep

8

Diilhami dari mekanisme fotosintesis

Cahaya

KarbohidratAir

Karbon dioksida

Oksigen

Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Pengaruh Panjang Gelombang Cahaya dan Proses Pelepasan Elektron

9Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Mekanisme transfer energi sering terjadi dalam sistem biologi

10Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Optical Generation dari Model elektron bebas dan hole

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.

Ene

rgi E

lekt

ron

“Conduction Band”(hampir) Kosong

“Valence Band”(hampir) terisi penuh

“terlarang” GapEnergi

11Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

foton

Pita Energi dalam Material

12Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Carrier Generation and Recombinations

• Melalui mekanisme pasangan elektron & hole.• Hamburan transport bisa terjadi karena variasi ketidak-

sempurnaan 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.

Pada equilibrium termal Dibawah illuminasi optis

Conduction Band

Valence Band

13Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

14

Transisi Pita ke pita adalah interaksi optoelektronik dalam semikonduktor

14Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Prinsip Kerja Efek Fotokonduktif

15

Ener

gi B

and

Gap

(Eg)

Kondisi (I): tidak ada foton; (II): Ef>Eg; (III): terdapat aceptor Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Sifat-Sifat Optis

• Energi foton (hf) harus lebih besar atau melebihi gap energi semiconduktor (Eg) .

• Hamburan mempengaruhi transport elektron and hole• Dua jenis hamburan:

– Absorpsi foton – Emisi foton(dari rekombinasi e&h)

16Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

EmisiAbsorpsi

Pita Valensi

Pita Konduksi

Foton

Foton

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– Ketika rekombinasi menghasilkan panas atau “phonon”

17Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Eh

Ee

Ec

Ev

Eghω

+ ++++

- --- -

Pita Valensi

Pita Konduksi

Photoconductive Light Detectors

• 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)

Semi-konduktor

E=hfI Vout

Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik 18

Jenis-jenis Detektor Foton (anorganik)

19Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

PV cell Organik Single layer

20Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Proses Pembangkitan Photocurrent

21Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Photocurrent, Photovoltage, Absorpsi

22Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Material Fotokonduktor Organik

23Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Organik PhotoConductor

Material Fotokonduktor Organik

24Steady-State Fotokonduktif | Elektonika Organik

Tugas Individu

25Material Organik | Elektonika Organik

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.idSubject: ELORFotokonduktif_[Nama]

Penyerapan panjang gelombang cahaya pada 5-Polyacen

26Material Organik | Elektonika Organik

Struktur Molekul prototype semikonduktor organik

27

PPV: poly(p-henylenevinylene)PFO: polyfluorene, P3AT: poly(3-alkylthiophene),Alq3: tris(8-hydroxyquinoline) aluminium, fullerene C60,CuPc: Cu-phthalocyanine,

Material Organik | Elektonika Organik

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

29Material Organik | Elektonika Organik

30

Informasi

maulana.lecture.ub.ac.id

Material Organik | Elektonika Organik