Открытие российских учёных позволит резко продвинуть органическую электронику
Учёные из МГУ и Института полимерных исследований в Дрездене (Институт Лейбница) обнаружили идеального кандидата на роль материала для органической электроники. Соответствующая статья опубликована в журнале Advanced Materials.
Органическая, или "пластиковая", электроника — быстро развивающееся направление, создающее полупроводниковые устройства из органических материалов, а не кремния, используемого для этого в настоящий момент. У полимерных систем масса потенциальных преимуществ перед кремниевыми. Органика легче, требует менее прочных и тяжёлых подложек. Это важно в области создания новых солнечных батарей, или в носимой гибкой электронике. Кремниевая микросхема редко переживает и одно сгибание, в то время как органические материалы имеют ресурс до многих тысяч сгибаний, а иные из них можно даже стирать. В то же время проблем в этой молодой области тоже хватает. В кремниевой электронике за десятилетия всё отработано до мелочей — высоко быстродействие, велика наработка на отказ, хорошо известны все легирующие примеси. Всего этого органической электронике пока не хватает.
Российские и немецкие исследователи решили сделать свой вклад в решение проблемы. Они провели детальное изучение полупроводниковых свойств молекулы [3]-радиалена, более 30 лет известного науке, но до того не предлагавшегося как материал для электроники. [3]-Радиален не планируется применять сам по себе, однако он оказался отличной легирующей примесью ("допантом"). Добавляя его к другим полимерам, можно радикально изменить их электрическую проводимость. Такие допанты для неорганических полупроводников (кремния) разрабатываются уже десятилетиями. Но, как отмечает Дмитрий Иванов, один из авторов новой работы, в отношении органических полупроводников легирующие примеси изучены куда слабее. И задача подбора примеси к пластику тяжелее, чем к кремнию: часто допант после смешивания кристаллизуется и фактически отделяется от полимера, делая его неработоспособным.
В [3]-радиалене молекулы довольно небольшие и "плоские", атомы углерода в них соединены в треугольную структуру. Из-за всего этого у него есть незанятая молекулярная орбиталь с минимальной энергией. Это значит, что электроны относительно легко с неё "соскакивают", при этом становясь свободными зарядами и увеличивая проводимость материала, легированного [3]-радиаленом. Как показала новая работа, благодаря столь удачной специфике этой молекулы она является сильнейшим из всех известных допантов для органических полупроводников. Даже небольшая его добавка делает полимер "управляемым" проводником — то есть идеальным материалом для электроники.
Вначале расчёты, а затем и эксперименты авторов работы с [3]-радиаленом продемонстрировали: вещество ещё и прекрасно смешивается с полимерами, позволяя стабильно увеличивать их электрическую проводимость в десятки и сотни раз. Даже при повышении концентрации примеси в базовом полимере до 50% в итоговом материале не происходит фазового расслоения, что делает его надёжным кандидатом на роль допанта.
Учёные полагают, что новая добавка позволит создавать новые классы солнечных батарей, гибких, недорогих и экологически безопасных в производстве. Другим вариантом применения [3]-радиалена могут стать высокопроизводительные органические полевые транзисторы. Дмитрий Иванов отмечает, что открытие даст существенный толчок в развитии электронных устройств на органической основе.