Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 42 – vyšlo 16. prosince, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

42/2016

Fraktálne elektródy pre optoelektroniku – inšpirácia v prírode

Vladimír Scholtz

Pre materiály povrchových elektród optoelektronických zariadení ako sú solárne články, svetelné diódy (LED), displeje alebo senzory predstavujú ich najdôležitejšie parametre vysoká elektrická vodivosť a optická transmitancia (priehľadnosť). Tie totiž musia spĺňať dve do istej miery protichodné požiadavky, aby na súčiastku rovnomerne odvádzali alebo privádzali elektrický prúd a zároveň zostávali vysoko priepustné pre svetlo dopadajúce alebo svetlo emitované substrátom.

Optoelektronické prvky sú súčasťou mnohých dnešných technológií. Zdroj: ANU.

Fraktál – donekonečna se opakující struktura na různých prostorových úrovních. Dimenze fraktální struktury je vždy větší než topologická dimenze a může být neceločíselná. Optoelektronika – bouřlivě se rozvíjející odvětví, které se zabývá interakcí světla a elektronických součástek. Na straně jedné mohou součástky světlo emitovat (například LED, OLED), na straně druhé ho mohou zpracovávat (různé senzory, například fotodiody, fototranzistory, CCD). LED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. OLED – Organic Light-Emitting Diode, svítívá dioda LED, v níž je jako svítící elektroluminiscenční látka použita tenká vrstva organické sloučeniny, která při průchodu elektrického proudu emituje světlo. Tato polovodičová vrstva je umístěna mezi dvě elektrody, z nichž je alespoň jedna průhledná. Technologie pochází z roku 1987, kdy jí vyvinula firma Eastman Kodak. Nyní se tyto displeje používají především v mobilních telefonech nebo MP3 přehrávačích. CCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.)

Listy magnólie ako vzor

V minulosti boli objavené rôzne vhodné materiály ako napríklad rôzne oxidy kovov alebo dopované polovodiče s dostatočne širokým zakázaným pásomZakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV)., ktoré boli na substrát nanesené ako tenké homogénne vrstvy. Najpoužívanejším materiálom sa v dnešnej dobe stal indiom dopovaný oxid cíničitý (ITO), ktorého hlavnými nevýhodami sú relatívne vysoká cena, nedostatok india, krehkosť a taktiež aj pomerne nízka vodivosť a priehľadnosť. Navyše, tento a podobné materiály tvoria súvislú, rovnomernú vrstvu, čo nepredstavuje pre zber nerovnomerne sa vyvíjajúceho prúdu najvhodnejšie riešenie.

Niektoré nedostatky sa podarilo vyriešiť novým prístupom k návrhu elektródy, ktorá už nie je tvorená súvislou vrstvou, ale kovovou mikro až nanomriežkou, sieťou alebo inou poréznou rovinnou štruktúrou. Táto konštrukcia výrazne zlepšila mechanické vlastnosti elektródy, ostatné optoelektronické vlastnosti však stále neboli dostatočné.

Možným riešením pre vylepšenie vlastností elektród by sa mohli stať fraktálomFraktál – donekonečna se opakující struktura na různých prostorových úrovních. Dimenze fraktální struktury je vždy větší než topologická dimenze a může být neceločíselná. podobné štruktúry (Quasi-Fractal – QF) inšpirované v prírode. Elektróda by totiž nemusela byť nanesená vo vrstve na celej ploche substrátu ako homogénna mriežka či sieť, ale vo forme dostatočne hustých a tenkých lineárnych fraktálnych štruktúr pokrývajúcich povrch substrátu, ktorých priemer by sa s postupným fraktálnym vetvením stále zmenšoval. Tým by bolo možné substrát dostatočne nakontaktovať a zároveň ho minimálne zatieniť. Pokiaľ by sme hľadali inšpiráciu v prírode, tak u kvitnúcich rastlín je podobná QF štruktúra s výhodou použitá pre cievne pletivo v listoch, ktorá ich dostatočne zásobuje potrebnými látkami a zároveň ich iba minimálne zatieňuje. Podobnú štruktúru predstavuje napríklad aj rozvodie riek, ktoré odvádza vodu zo zemského povrchu a mnohé ďalšie štruktúry.

Práve túto fraktálnu štruktúru cievneho pletiva listov jedného druhu magnólie (Magnolia alba) použili autori v práci [1] pre vytvorenie povrchovej elektródy. Na obrázku 1a je možné vidieť list tejto rastliny a jeho detailný snímok z elektrónového mikroskopu (1b), na ktorom je detailne vidieť fraktálne štiepenie ciev a ich postupne sa zmenšujúci priemer. Popisovaná elektróda bola vytvorená priamo okopírovaním tejto štruktúry postupom znázorneným na obrázku 1c. Z listu magnólie bol alkalickým leptaním odstránený mezofyl (hmota listu medzi cievami) a na zostávajúce torzo cievnej štruktúry bola naprášená vrstva striebra. Tá bola následne prenesená na vhodnú podložku zo skla, polymérneho materiálu alebo polovodiča.

Obr. 1: List magnólie Magnolia alba (a) a jeho detailný snímok z elektrónového
mikroskopu (b), postup kopírovania cievnej štruktúry listu na podložku (c) [1].

Vlastnosti novej elektródy

Ako ukazujú výsledky práce [2], má takto pripravená elektróda lepšie optoelektrické vlastnosti ako súvislá elektróda aj ako elektróda tvorená homogénnou mriežkou. Na obrázku 2 je možné vidieť závislosť optickej transmitancie (priehľadnosti) na hodnote vrstvového odporu elektród pri rôznych morfológiách ako aj samotnú morfológiu elektród. Ako je vidieť, pri podobnej transmitancii má klasická vrstvová elektróda tvorená indiom dopovaným oxidom cíničitým (ITO) vrstvový odpor násobne vyšší, zatiaľ čo elektródy tvorené homogénnou mriežkou ako aj fraktálnou štruktúrou majú hodnoty vrstvového odporu porovnateľné. To znamená, že vodivosti oboch morfológií v rovine sú podobné. Výhoda fraktálnej morfológie vynikne až pri vytvorení a nakontaktovaní celej optoelektrickej súčiastky, kde sa do celkového odporu započíta aj vhodné rozloženie materiálu elektródy po povrchu substrátu. Ako je vidieť na obrázku 3, je celkový odpor kontaktu súčiastky pre fraktálnu morfológiu elektródy výrazne nižší než pre morfológiu homogénnej siete. Fraktálna štruktúra totiž vďaka postupne sa znižujúcemu priemeru lineárnych štruktúr vytvára s kontaktovaným substrátom výrazne užší (alebo hustejší) kontakt. Zatiaľ čo homogénna mriežka kontaktuje substrát vo všetkých častiach lineárnym vodičom s konštantným priemerom, fraktálna štruktúra tento priemer postupne znižuje, keďže sa pri tom ale stále vetví a približuje ku konkrétnemu miestu prenosu náboja, zostáva (v ideálnom prípade) prúdová hustota v každej časti elektródy rovnaká. Inak povedané, materiál elektródy, ktorý sa ušetril v najtenších miestach elektródy je presunutý do hrubších častí kde je potrebný na vedenie elektrického prúdu. Pri homogénnej mriežke tento materiál zostáva v miestach, kde nie je potrebný a iba tam zavádza.

Obr. 2: Závislosť optickej transmitancie na vrstvovom odpore elektród s rôznou morfológiou: súvislá vrstva ITO, homogénna mriežka (C) a fraktálna štruktúra (QF). Na fotografiách sú viditeľné detaily oboch morfologií [2].

Obr. 3: Hodnoty celkového odporu jednej optoelektronickej súčiastky pre rôzne morfológie kontaktujúcej elektródy. Na fotografiách je vidieť detaily oboch morfológií, čierny kruh je tvorený vrstvou striebra na spodnej časti súčiastky, ktorý slúži ako spätná odrazová plocha pre svetlo [2].

Záver

Dobre si pamätajte, že štyri miliardy rokov evolúcie v sebe ukrývajú mnoho užitočných a výhodných riešení, na ktoré musia často biológie neznalí inžinieri ťažko prichádzať a míňať grantové prostriedky. Pritom by často stačilo iba vystrčiť hlavu z okna alebo sa detailne pozrieť na šalátový lístok.

Dvojminútová cesta do hlbín Mandelbrotovej množiny, jednej z najznámejších fraktálnych štruktúr. Pôvodný motív sa neustále opakuje a teoreticky nikdy nekončí!. Zdroj: Vimeo. (mp4/h264, 31 MB).

Odkazy