कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स

कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स डिजाइन, संश्लेषण, लक्षण वर्णन और कार्बनिक अणुओं या पॉलिमर के अनुप्रयोग से संबंधित पदार्थ विज्ञान (मैटेरियल्स साइंस) का क्षेत्र है, जो चालकता जैसे वांछनीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों को दिखाते हैं। पारंपरिक अकार्बनिक चालकों और अर्धचालकों के विपरीत, कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक वस्तुएं कार्बनिक (कार्बन-आधारित) अणुओं या पॉलिमर से कार्बनिक रसायन विज्ञान और बहुलक रसायन विज्ञान के संदर्भ में विकसित कृत्रिम रणनीतियों का उपयोग करके निर्मित की जाती है।

कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के वादा किए गए लाभों में से पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में उनकी संभावित कम लागत है।  बहुलक चालकों के आकर्षक गुणों में उनकी विद्युत चालकता (जो डोपेंट की सांद्रता से भिन्न की जा सकती है) और तुलनात्मक रूप से उच्च यांत्रिक लचीलापन शामिल हैं। कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक वस्तुओं के कार्यान्वयन के लिए चुनौतियां उनके अवर थर्मल स्थिरता, उच्च लागत और विविध निर्माण मुद्दे हैं।

इतिहास
विद्युत प्रवाहकीय पॉलिमर

पारंपरिक प्रवाहकीय पदार्थ अकार्बनिक हैं, विशेष रूप से धातु जैसे कि तांबे और एल्यूमीनियम के साथ -साथ कई मिश्र धातुएं भी।

1862 में हेनरी लेथबी ने पॉलीनिलिन का वर्णन किया, जिसे बाद में विद्युत प्रवाहकीय दिखाया गया। 1960 के शुरुवात में अन्य बहुलक कार्बनिक पदार्थों  पर काम शुरू हुआ। उदाहरण के लिए, 1963 में, टेट्रियोडोपिरोल के व्युत्पन्न को 1 एस/सेमी (एस = सीमेंस; S = Siemens) की चालकता प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया था। 1977 में, यह पता चला कि ऑक्सीकरण पॉलीसिटिलीन की चालकता को बढ़ाता है। रसायन विज्ञान में 2000 का नोबेल पुरस्कार एलन जे हेगर, एलन जी मैकडर्मिड और हिदेकी शिरकावा को संयुक्त रूप से पॉलीसेटिलीन और संबंधित प्रवाहकीय पॉलिमर पर उनके काम के लिए प्रदान किया गया था। विद्युत रूप से आयोजित करने वाले पॉलिमर के कई परिवारों की पहचान की गई है जैसे पॉलीथियोफीन, पॉलीफेनिलीन सल्फाइड और अन्य ।

सबसे पहले जे.ई. लिलिनफेल्ड ने 1930 में, फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर का प्रस्ताव किया था, लेकिन पहली बार 1987 में, ओएफईटी (OFET) की रिपोर्ट की गई थी, जब कोज़ुका एट अल ने पॉलीथियोफीन का उपयोग करके अत्यधिक उच्च चालकता प्रदर्शित की ।अन्य प्रवाहकीय पॉलिमर को अर्धचालक के रूप में कार्य करने के लिए दिखाया गया है, और नए संश्लेषित और विशेषता यौगिकों को प्रमुख शोध पत्रिकाओं में साप्ताहिक रूप से सूचित किया जाता है। कई समीक्षा लेख इन पदार्थों के विकास का दस्तावेज करते हैं।

1987 में, पहले कार्बनिक डायोड को ईस्टमैन कोडक में चिंग डब्ल्यू तांग और स्टीवन वैन स्लीके द्वारा निर्मित किया गया था। 1950 के दशक में, कार्बनिक अणुओं को विद्युत चालकता प्रदर्शित करने के लिए दिखाया गया था। विशेष रूप से, कार्बनिक यौगिक पाइरेन को हॉलोजेन के साथ अर्धचालक चार्ज-ट्रांसफर जटिल लवण बनाने के लिए दिखाया गया था। 1972 में, शोधकर्ताओं ने चार्ज-ट्रांसफर कॉम्प्लेक्स टीटीएफ-टीसीएनक्यू (TTF-TCNQ) में धातु चालकता (धातु की तुलना में चालकता) पाया।
 * विद्युत प्रवाहकीय चार्ज ट्रांसफर लवण

आंद्रे बर्नानोज, कार्बनिक पदार्थों में इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस का निरीक्षण करने वाला पहला व्यक्ति था। चिंग डब्ल्यू, तांग और स्टीवन वैन स्लीके ने 1987 में पहली बार व्यावहारिक ओएलइडी  डिवाइस के निर्माण की सूचना दी| ओएलइडी डिवाइस में कॉपर फ़ेथलोसायनिन से बना डबल-लेयर स्ट्रक्चर मोटिफ शामिल है और पेरीलेनेटेट्राकारबॉक्सिलिक डायनहाइड्राइड का व्युत्पन्न है।
 * प्रकाश और विद्युत चालकता

1990 में ब्रैडली और बरोज़ मित्रों द्वारा बहुलक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (पॉलीमर लाइट एमिटिंग डायोड) प्रदर्शित किया गया। आणविक से वृहद् आणविक पदार्थों के लिए आगे बढ़ने से कार्बनिक फिल्मों की दीर्घकालिक स्थिरता पुरानी समस्या को हल किया गया और उच्च गुणवत्ता वाली फिल्मों को आसानी से बनाने में सक्षम बनाया गया। 1990 के दशक के उत्तरार्ध में, अत्यधिक कुशल इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट डोपेंट्स को नाटकीय रूप से ओएलइडी की प्रकाश उत्सर्जक दक्षता में वृद्धि करने के लिए दिखाया गया| इन परिणामों ने सुझाया कि इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट पदार्थ पारंपरिक हॉट-फिलामेंट प्रकाश व्यवस्था की जगह ले सकती है। बाद के शोध ने बहुपरत पॉलिमर विकसित किए और प्लास्टिक इलेक्ट्रॉनिक्स, ऑर्गेनिक लाइट-एमिटिंग डायोड (ओएलइडी) अनुसंधान और डिवाइस उत्पादन के नए क्षेत्र में तेजी से वृद्धि हुई।

प्रवाहकीय कार्बनिक पदार्थ
कार्बनिक प्रवाहकीय पदार्थों को दो मुख्य वर्गों में वर्गीकृत किया जा सकता है: पॉलिमर और प्रवाहकीय आणविक ठोस और लवण। पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक यौगिक जैसे कि पेंटासीन और रूब्रेन अक्सर आंशिक रूप से ऑक्सीकृत होने पर अर्धचालक पदार्थ बनाते हैं।

प्रवाहकीय पॉलिमर अक्सर आमतौर पर आंतरिक रूप से प्रवाहकीय या कम से कम अर्धचालक होते हैं। वे कभी-कभी पारंपरिक कार्बनिक पॉलिमर के बराबर यांत्रिक गुण दिखाते हैं। दोनों कार्बनिक संश्लेषण और उन्नत डिस्पेरशन तकनीकों का उपयोग आदर्श अकार्बनिक कंडक्टरों के विपरीत, प्रवाहकीय पॉलिमर के विद्युत गुणों को अनुकूल करने के लिए किया जा सकता है। प्रवाहकीय पॉलिमर के अच्छी तरह से अध्ययन किए गए वर्ग में पॉलीसिटिलीन, पॉलीपिरोल, पॉलीथियोफेनीस और पॉलीनिलिन शामिल हैं। पाली (पी-फेनिलीन विनाइलीन) और इसके डेरिवेटिव इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट अर्धचालक पॉलिमर हैं। पॉली (3-एल्किथियोफेनेस) को सौर कोशिकाओं और ट्रांजिस्टर के प्रोटोटाइप में शामिल किया गया है।

कार्बनिक प्रकाश-उत्सर्जक डायोड
ओएलइडी (ऑर्गेनिक लाइट-एमिटिंग डायोड) में कार्बनिक सामग्री की पतली फिल्म होती है जो विद्युत प्रवाह द्वारा उत्तेजना के तहत प्रकाश का उत्सर्जन करती है। विशिष्ट ओएलइडी में एनोड, कैथोड, ओएलईडी कार्बनिक सामग्री और प्रवाहकीय परत शामिल है। ओएलईडी कार्बनिक पदार्थों को दो प्रमुख परिवारों में विभाजित किया जा सकता है: छोटे-अणु-आधारित और बहुलक-आधारित। छोटे अणु ओएलईडी (इसएम्-ओएलईडी) में ट्रिस (8-हीड्रोसीक्विनोलिनातो) एल्यूमीनियम फ्लोरोसेंट, फॉस्फोरसेंट रंजक और संयुग्मित डेंड्रिमर्स शामिल हैं। फ्लोरोसेंट रंजक को उत्सर्जन तरंग दैर्ध्य की वांछित सीमा के अनुसार चुना जा सकता है; पेरिलीन और रूब्रेन जैसे यौगिकों का अक्सर उपयोग किया जाता है।छोटे अणुओं पर आधारित उपकरण आमतौर पर वैक्यूम के तहत थर्मल वाष्पीकरण द्वारा निर्मित होते हैं। जबकि यह विधि सुनियंत्रित सजातीय फिल्म के निर्माण को सक्षम करती है लेकिन उच्च लागत और सीमित स्केलेबिलिटी से बाधित है। पॉलिमर लाइट-एमिटिंग डायोड (पीएलइडी) आमतौर पर इसएम्-ओएलईडी की तुलना में अधिक कुशल होते हैं। पीएलइडी में उपयोग किए जाने वाले सामान्य पॉलिमर में पॉली(पी-फेनिलीन विनिलीन) के डेरिवेटिव और पॉलीफ्लुओरेन शामिल हैं । बहुलक की संरचना द्वारा उत्सर्जित रंग। थर्मल वाष्पीकरण की तुलना में समाधान-आधारित तरीके, बड़े आयामों वाली फिल्मों को बनाने के लिए अधिक अनुकूल हैं।

कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर
कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर एक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर है जो कार्बनिक अणुओं या पॉलिमर का उपयोग सक्रिय अर्धचालक परत के रूप में करता है। क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी) एक अर्धचालक पदार्थ है जो एक प्रकार के चार्ज वाहक के चैनल के आकार को नियंत्रित करने के लिए विद्युत क्षेत्र का उपयोग करता है, जिससे इसकी चालकता बदल जाती है। एफईटी के दो प्रमुख वर्ग एन-टाइप और पी-प्रकार सेमीकंडक्टर हैं, जिन्हें चार्ज प्रकार के अनुसार वर्गीकृत किया गया है। कार्बनिक एफईटी(ओएफईटी) में, पी-टाइप ओएफईटी यौगिक आमतौर पर ऑक्सीडेटिव क्षति के लिए बाद की संवेदनशीलता के कारण एन-टाइप की तुलना में अधिक स्थिर होते हैं।

ओएलईडी के लिए, कुछ ओएफईटी आणविक हैं और कुछ बहुलक-आधारित प्रणाली हैं। रूब्रेन-आधारित ओएफईटी 20-40 cm2/(V·s) की उच्च वाहक गतिशीलता दिखाती है। एक और लोकप्रिय ओएफईटी पदार्थ पेंटासीन है। अधिकांश कार्बनिक सॉल्वैंट्स में इसकी कम घुलनशीलता के कारण, पारंपरिक स्पिन-कास्ट या डिप- कोटिंग विधियों का उपयोग करके केवल पेंटासीन से पतली फिल्म ट्रांजिस्टर (टीऍफ़टी) को बनाना मुश्किल है, लेकिन इस बाधा को टीआईपीइस-पेंटासीन व्युत्पन्न का उपयोग करके दूर किया जा सकता है।

कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण
कार्बनिक सौर कोशिकाएं पारंपरिक सौर-सेल निर्माण की तुलना में सौर ऊर्जा की लागत में कटौती कर सकती हैं। लचीले सब्सट्रेट पर सिलिकॉन की पतली-फिल्म सौर कोशिकाएं कई कारणों से बड़े क्षेत्र के फोटोवोल्टिक्स की लागत में महत्वपूर्ण कमी की अनुमति देती हैं:
 * 1) लचीली चादरों पर तथाकथित 'रोल-टू-रोल-डिपोज़िशन नाजुक और भारी कांच की चादरों पर जमाव की तुलना में तकनीकी प्रयासों के संदर्भ में बहुत आसान है।
 * 2) हल्के लचीले सौर कोशिकाओं की परिवहन और स्थापना भी, कांच पर कोशिकाओं की तुलना में लागत को बचाती है।

पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट (पीईटी) या पॉली कार्बोनेट (पीसी) जैसे सस्ती पॉलिमेरिक सब्सट्रेट में फोटोवोल्टिक की लागत में और भी कमी की संभावना है। प्रोटोमोर्फस सौर कोशिकाएं बड़े-क्षेत्र के उत्पादन के साथ-साथ छोटे और मोबाइल अनुप्रयोगों के लिए सस्ते और लचीले सब्सट्रेट पर कुशल और कम लागत वाली फोटोवोल्टिक के लिए आशाजनक अवधारणा साबित होती हैं।

मुद्रित इलेक्ट्रॉनिक्स का एक लाभ यह है कि विभिन्न विद्युत और इलेक्ट्रॉनिक घटकों को एक दूसरे के ऊपर मुद्रित किया जा सकता है, जिससे जगह की बचत होती है और विश्वसनीयता बढ़ती है और कभी-कभी वे सभी पारदर्शी होते हैं। एक स्याही दूसरे को नुकसान नहीं पहुंचाना चाहिए, और कम तापमान वाली एनीलिंग महत्वपूर्ण है यदि कम लागत वाली लचीली पदार्थ जैसे कागज और प्लास्टिक की फिल्म का उपयोग किया जाना है।आईटीआई, पिक्सड्रो, असाही केसी, मर्क & सीओ, बसफ, हक  स्टारक, हिताची  केमिकल  एंड  फ्रंटियर  कार्बन  कारपोरेशन जैसे लीडर्स  के साथ यहां बहुत उत्कृष्त इंजीनियरिंग और रसायन शास्त्र शामिल है| कई नए अंडर  डेवलपमेंट उत्पादों के साथ, कार्बनिक यौगिकों पर आधारित इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का अब व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। सोनी ने पहला फुल-कलर, वीडियो-रेट, लचीले प्लास्टिक के प्रदर्शन की सूचना दी, जो विशुद्ध रूप से कार्बनिक पदार्थों से बना है ; ओएलईडी पदार्थों पर आधारित टेलीविजन स्क्रीन; कार्बनिक यौगिक और कम लागत वाले कार्बनिक सौर सेल पर आधारित बायोडिग्रेडेबल इलेक्ट्रॉनिक्स भी उपलब्ध हैं।

निर्माण के तरीके
छोटे अणु अर्धचालक अक्सर अघुलनशील होते हैं अतः उन्हें वैक्यूम सब्लिमेशन के माध्यम से डेपोज़िशन की आवश्यकता होती है। प्रवाहकीय पॉलिमर पर आधारित उपकरणों को सलूशन प्रोसेसिंग विधियों द्वारा तैयार किया जा सकता है। दोनों सलूशन प्रोसेसिंग और वैक्यूम आधारित विधियाँ अक्रिस्टलीय और पॉलीक्रिस्टलाइन फिल्मों का उत्पादन विभिन्न स्तर के विकारों के साथ करती हैं। वेट-कोटिंग तकनीकों में पॉलिमर को वाष्पशील सलूशन जो सब्सट्रेट पर फ़िल्टर्ड और जमा हो, में घोलने कीआवश्यकता होती है। साल्वेंट-आधारित कोटिंग तकनीकों के सामान्य उदाहरणों में ड्रॉप कास्टिंग, स्पिन-कोटिंग, डॉक्टर-ब्लेडिंग, इंकजेट प्रिंटिंग और स्क्रीन प्रिंटिंग शामिल हैं। स्पिन-कोटिंग छोटे क्षेत्र की पतली फिल्म निर्माण के लिए एक व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक है। इसके परिणामस्वरूप काफी मात्रा में पदार्थ की हानि हो सकती है। डॉक्टर-ब्लेड तकनीक के परिणामस्वरूप न्यूनतम पदार्थ का नुकसान होता है और इसे मुख्य रूप से बड़े क्षेत्र की पतली फिल्म निर्माण के लिए विकसित किया गया था। छोटे अणुओं के वैक्यूम आधारित थर्मल डेपोज़िशन तकनीक को गर्म स्रोत से अणुओं के वाष्पीकरण की आवश्यकता होती है। अणुओं को फिर सब्सट्रेट पर वैक्यूम के माध्यम से ले जाया जाता है। सब्सट्रेट सतह पर इन अणुओं को संघनित करने की प्रक्रिया में पतली फिल्म का निर्माण होता है। वेट-कोटिंग तकनीकों को कुछ मामलों में उनकी घुलनशीलता के आधार पर छोटे अणुओं पर लागू किया जा सकता है।

कार्बनिक सौर कोशिकाएं
कार्बनिक अर्धचालक डायोड प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करते हैं। दाईं ओर चित्र में, आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले पांच कार्बनिक फोटोवोल्टिक पदार्थों को दर्शाता है। इन कार्बनिक अणुओं में इलेक्ट्रॉनों को डेलॉयलिज़्ड π ऑर्बिटल में संबंधित π* एंटीबॉंडिंग ऑर्बिटल के साथ डेलॉयलिज़्ड किया जा सकता है। Π कक्षीय, या उच्चतम कब्जे वाले आणविक कक्षीय (होमो), और π* कक्षीय, या सबसे कम निर्जन आणविक कक्षीय (लुमो) के बीच ऊर्जा में अंतर को कार्बनिक फोटोवोल्टिक पदार्थ का बैंड गैप कहा जाता है। आमतौर पर, बैंड गैप 1-4EV की सीमा में होता है।

कार्बनिक फोटोवोल्टिक पदार्थ के बैंड गैप में अंतर, विभिन्न रासायनिक संरचनाओं और कार्बनिक सौर कोशिकाओं का निर्माण करता है। सौर कोशिकाओं के विभिन्न रूपों में एकल-परत कार्बनिक फोटोवोल्टिक कोशिकाएं, बिलीयर कार्बनिक फोटोवोल्टिक कोशिकाएं और हेटेरोजंक्शन फोटोवोल्टिक कोशिकाएं शामिल हैं।हालांकि, इन तीन प्रकार की सौर कोशिकाएं, आमतौर पर दो धातु कंडक्टरों, इंडियम टिन ऑक्साइड के बीच कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक परत को सैंडविचिंग करने के दृष्टिकोण को साझा करती हैं।

कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर
कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर में तीन प्रमुख घटक होते हैं: स्रोत, निकास और गेट। आम तौर पर, फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर में दो प्लेटें होती हैं, क्रमशः निकास और गेट के संपर्क में स्रोत, चैनल का संचालन करने के रूप में काम करते हैं। इलेक्ट्रॉन स्रोत से निकास तक जाते हैं, और गेट स्रोत से निकास तक इलेक्ट्रॉनों के आवाजाही को नियंत्रित करने का कार्य करता है। विभिन्न प्रकार के ऍफ़इटी, वाहक गुणों के आधार पर डिज़ाइन किए गए हैं। पतली फिल्म ट्रांजिस्टर (ऍफ़इटी), उनमें से, एक आसान फैब्रिकेटिंग है। पतली फिल्म ट्रांजिस्टर में, स्रोत और निकास को अर्धचालक की पतली परत को सीधे जमा करके बनाया जाता है, जिसके बाद अर्धचालक और मेटल गेट संपर्क के बीच इन्सुलेटर की एक पतली फिल्म होती है। इस तरह की पतली फिल्म या तो थर्मल वाष्पीकरण, या बस स्पिन कोटिंग द्वारा बनाई जाती है। टीएफटी डिवाइस में, स्रोत और निकास के बीच वाहक की कोई आवाजाही नहीं है। सकारात्मक चार्ज लागू करने के बाद, इंटरफ़ेस पर इलेक्ट्रॉनों का संचय अर्धचालक के झुकने का कारण बनता है और अंततः अर्धचालक के फ़र्म-लेवल के संबंध में चालन बैंड को कम करता है। अंत में, इंटरफ़ेस में एक अत्यधिक प्रवाहकीय चैनल बनता है।

सुविधाएँ
प्रवाहकीय पॉलिमर अकार्बनिक कंडक्टरों की तुलना में हल्के, अधिक लचीले और कम खर्चीले होते हैं। यह उन्हें कई अनुप्रयोगों में एक वांछनीय विकल्प बनाता है।यह नए अनुप्रयोगों की संभावना भी बनाता है जो तांबे या सिलिकॉन का उपयोग करके असंभव होगा।

कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स में न केवल कार्बनिक सेमीकंडक्टर्स शामिल हैं, बल्कि कार्बनिक डाइलेक्ट्रिक्स, कंडक्टर और हल्के उत्सर्जक भी शामिल हैं।

नए अनुप्रयोगों में स्मार्ट विंडो और इलेक्ट्रॉनिक पेपर शामिल हैं। प्रवाहकीय पॉलिमर से आणविक कंप्यूटरों के उभरते विज्ञान में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उम्मीद है।

यह भी देखें

 * एनीलिंग
 * बायोप्लास्टिक
 * कार्बन नैनोट्यूब
 * सर्किट बयान
 * प्रवाहकीय स्याही
 * लचीला प्रदर्शन
 * लामिनार
 * मेलानिन
 * कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर | कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (OFET)
 * कार्बनिक अर्धचालक
 * ऑर्गेनिक लाइट-एमिटिंग डायोड (OLED)
 * फोटोडेटेक्टर
 * मुद्रित इलेक्ट्रॉनिक्स
 * रेडियो फ्रिक्वेंसी पहचान
 * रेडियो टैग
 * शॉन स्कैंडल
 * स्पिन कोटिंग

अग्रिम पठन

 * Grasser, Tibor., Meller, Gregor. Baldo, Marc. (Eds.) (2010) Organic electronics Springer, Heidelberg. ISBN 978-3-642-04537-0 (Print) 978-3-642-04538-7 (Online)
 * Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2 ed.  by Martin Pope and Charles E. Swenberg, Oxford University Press (1999), ISBN 0-19-512963-6
 * Handbook of Organic Electronics and Photonics (3-Volume Set) by Hari Singh Nalwa, American Scientific Publishers. (2008), ISBN 1-58883-095-0
 * Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers, 2 ed.  by Martin Pope and Charles E. Swenberg, Oxford University Press (1999), ISBN 0-19-512963-6
 * Handbook of Organic Electronics and Photonics (3-Volume Set) by Hari Singh Nalwa, American Scientific Publishers. (2008), ISBN 1-58883-095-0
 * Handbook of Organic Electronics and Photonics (3-Volume Set) by Hari Singh Nalwa, American Scientific Publishers. (2008), ISBN 1-58883-095-0

बाहरी संबंध

 * orgworld – Organic Semiconductor World homepage.
 * orgworld – Organic Semiconductor World homepage.