Московские ученые сделали прорыв в области органической электроники

Органическая электроника — это сравнительно молодое направление научных исследований и разработок, возникшее около 15–20 лет назад. Цель этого направления — разработка электронных устройств на органических материалах. Органические материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с неорганическими. Например, основной материал электроники сегодня — это кремний. А органические материалы могут быть легкими, тонкими, гибкими, полупрозрачными, могут иметь привлекательные свойства полимеров.

Сегодня полимеры уже прочно вошли в нашу жизнь. И мы используем прежде всего их механические свойства, но никак не электронные. Идея органической электроники — построить электронику на полупроводниковых органических материалах. Много лет назад было сложно поверить, что полимерная пленка может быть полупроводником.

 

Основные направления органической электроники — это создание органических солнечных батарей. Батареи на кремнии хорошие, долговечные, эффективные, но у них есть одна проблема — высокая стоимость, которая не позволяет реализовать возможности солнечной энергетики в полной мере, то есть покрывать большие площади и вносить весомый вклад в энергетический баланс на Земле. И если получить дешевый материал, который производился бы в виде тонких пленок по технологии roll-to-roll (рулонной технологии), и если бы эта пленка обладала электронными свойствами, например работающая солнечная батарея, то это способствовало бы развитию фотовольтаики.

В истории органической электроники можно выделить три узловые точки, которые связаны с демонстрацией органических приборов или устройств. Первый тип устройств — это солнечные батареи на органических пленках. Второй тип — светоизлучающие устройства. Это в некотором смысле обратные устройства. В солнечных батареях из света получают электричество. В светоизлучающем устройстве, например светодиоде, наоборот, из электричества получают свет. И третий тип, это ключевое устройство для электроники — транзистор. В данном случае речь идет об органическом полевом транзисторе.

Группе исследователей из МГУ имени М.В.Ломоносова в сотрудничестве с немецкими коллегами из Института полимерных исследований в Дрездене (Институт Лейбница) удалось найти молекулу, которая, по их мнению, может дать толчок развитию органической электроники. Результаты своей работы ученые опубликовали в журнале Advanced Materials.

Ученые из МГУ совместно с коллегами из Германии выяснили, что молекула под названием [3]-радиален, известная науке уже около 30 лет, может использоваться при создании органических полупроводников. Дмитрий Иванов, заведующий лабораторией инженерного материаловедения при факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ, считает, что достижение ученых значительно поможет развитию органической электроники и, в частности, созданию органических светодиодов и новых классов органических солнечных батарей.

Органическая или «пластиковая» электроника — сравнительно молодое научное направление, возникшее около 15-20 лет назад. Его цель — разработка электронных устройств на органических материалах. Такая электроника пока уступает стандартной кремниевой в быстродействии, она также пока менее долговечна. Но у нее есть и преимущества — легкость, тонкость, гибкость, прозрачность. И самое главное — пластиковая электроника значительно дешевле кремниевой. К основным применениям органической электроники следует отнести создание солнечных батарей, намного более дешевых, чем батареи на кремнии (высокая стоимость — одна из причин, которая не позволяет последним покрывать большие площади и, таким образом,более полно использовать энергию солнечного света). Также органическая электроника может применяться при создании светоизлучающих устройств и органических полевых транзисторов.

Молекула, о которой идет речь, представляет собой так называемый допант (что означает «легирующая примесь»), добавление которого к полимерной основе существенно увеличивает ее электрическую проводимость. Подобные допанты для неорганических полупроводников разрабатываются уже в течение нескольких десятилетий, однако, по словам одного из соавторов статьи Дмитрия Иванова, в отношении органических проводников это направление изучено значительно скромнее. В настоящее время чаще всего применяются фторированные допанты. В сочетании с разными органическими полупроводниками они способны резко увеличивать их электрическую проводимость, однако подходят далеко не для всех полимеров, использующихся сегодня в «пластиковой» электронике.

«Вместе с коллегами из Дрездена мы решили предложить совершенно новый тип низкомолекулярного допанта для органических полупроводников, — сообщает Дмитрий Иванов. — И здесь важно было подобрать такую молекулу, чтобы она не только подходила по своим энергетическим уровням на роль допанта, но, что самое главное, важно было, чтобы допант хорошо смешивался с полимером, чтобы он при контакте с полимером не выделялся в отдельную фазу, кристаллизовавшись и, фактически, потеряв контакт с полимером».

Главный вклад лаборатории Иванова в эту работу свелся к исследованию физики фазовых превращений, физики смешивания в таких бинарных системах, иначе говоря — поиск подходящего кандидата с позиций полимерной физики.

И такой кандидат был найден. Им оказалась производная молекулы под названием [3]-радиален. Это небольшая плоская молекула, в которой атомы углерода соединены в структуру треугольной формы. Среди других потенциально интересных соединений [3]-радиален имеет самую подходящую по энергии незанятую молекулярную орбиталь с минимальной энергией. Это означает, что электроны относительно легко с нее соскакивают, становясь свободными зарядами и увеличивая проводимость материала. [3]-Радилен таким образом становится сильнейшим допантом для органических полупроводников из тех, что известны в научной литературе.

Эксперименты с радиаленом подтвердили результаты квантово-химических расчетов, показав, что вещество прекрасно смешивается с полимерами и позволяет увеличивать их электрическую проводимость в десятки и даже сотни раз. Было установлено, что вплоть до 50-процентного содержания допанта в полимере не происходит фазового расслоения, зато кристаллическая структура полимера постепенно изменяется. Это означало, что молекулы допанта встраиваются в полимерную кристаллическую решетку и формируют там так называемый со-кристалл. А образование со-кристаллов, по словам Иванова, как раз и является одной из основных причин высокой эффективности нового соединения.

«Новый допант, точно так же, как и его фторированные и на сегодня наиболее популярные аналоги, относится к разряду электрон-дефицитных органических допантов, — сообщает Дмитрий Иванов. — Фтор, как известно, сильно оттягивает электроны от центральной группы, что способствует увеличению дырочной проводимости полимера. В нашем случае химическая структура совершенно иная, и, собственно, она даже лучше. Хорошее смешение нашего допанта с полимерной матрицей представляет собой, мне кажется, залог успеха в его использовании. Это позволит создавать новые классы солнечных батарей. Мы также думаем о производстве органических полевых транзисторов. Я думаю, это даст существенный толчок в развитии электронных устройств на органической основе».

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *