Новосибирские учёные «вырастили» органические светоизлучающие полупроводники

Новосибирские учёные «вырастили» органические светоизлучающие полупроводники

Группа учёных из Новосибирского государственного университета, Новосибирского института органической химии (НИОХ), МГУ и Университета Гронингена (Нидерланды) опубликовала результаты мультидисциплинарного исследования в сфере органической электроники. Специалисты первыми в мире вырастили создают из раствора монокристаллы фуран-фениленовых со-олигомеров, обладающие полупроводниковым и люминесцентным свойствами, и выяснили, что квантовый выход фотолюминесценции для них составляет более 65%. В перспективе подобные соединения могут использоваться для производства органических светоизлучающих транзисторов и гибких электронных устройств.

В исследовании приняли участие специалисты из Группы органических материалов для электроники (ГРОМ)Новосибирского института органической химии, лаборатории органической оптоэлектроники Новосибирского государственного университета (САЕ «Низкоразмерные гибридные материалы»), Института физики полупроводников (ИФП) СО РАН, Международного лазерного центра МГУ, Университета Гронингена (Нидерланды).
Учёные получили органический полупроводниковый материал на основе фуран-фениленового со-олигомера с квантовым выходом фотолюминесценции более 65%, который может использоваться для создания органических светоизлучающих транзисторов и гибких электронных устройств. Статья Highly-Emissive Solution-Grown Furan/Phenylene Co-Oligomer Single Crystals опубликована в сентябрьском номере журнала RSC Advances (IF=3,289).

Как рассказывает первый автор статьи, сотрудник лаборатории химии свободных радикалов НГУ, сотрудник ГРОМ НИОХ СО РАН Максим Казанцев, органические полупроводниковые материалы имеют по сравнению с кристаллическим кремнием (самым распространённым неорганическим полупроводником, используемым в электронике) ряд преимуществ, среди которых — лёгкость, вариативность свойств, гибкость, полупрозрачность и недорогое производство:

— Мы стремимся упростить процесс изготовления устройств. Неорганические полупроводники производятся с применением сложных технологий, которые требуют высоких температур, вакуума. Органические же материалы можно наносить более дешёвыми и простыми способами, например, напечатать полупроводниковый слой на принтере, напылить или использовать различные процессы самосборки. Уникальные свойства материалов могут способствовать созданию новых устройств, например гибкого дисплея, который можно сложить или свернуть в трубочку и положить в карман. Это бы значительно упростило жизнь в некоторых случаях.

Группа учёных из НИОХ и НГУ занимается в настоящее время органическими материалами, которые являются не только хорошими полупроводниками, но и имеют интересные оптические свойства, например, могут излучать свет. В мире уже существует ряд органических материалов, сочетающих в себе полупроводниковые и светоизлучающие свойства, среди них, например, кристаллы тиофен-фениленовых со-олигомеров и производные олигофениленвиниленов и др. Новосибирские учёные синтезируют и исследуют фуран-фениленовые со-олигомеры.

По словам Максима Казанцева, задача совместить полупроводниковые и светоизлучающие свойства — достаточно нетривиальная:

— Для высокой подвижности зарядов в полупроводнике необходима достаточно плотная и близкая упаковка молекул, а это чаще всего приводит к тушению люминесценции, из-за чего квантовый выход падает. Величина квантового выхода характеризует отношение среднего числа излучённых квантов к числу поглощённых

В статье речь идет об олигомере бис-фенилфуранбензол (BPFB). Специалисты синтезировали соединение с более компактными и жесткими фурановыми фрагментами, вырастили кристаллы, исследовали полупроводниковые и оптические свойства, и выяснили, что материал на основе полученного соединения обладает существенно большей растворимостью и имеет высокий квантовый выход фотолюминесценции — 65% по сравнению с 35% у тиофенового аналога.

Несмотря на то, что использовался достаточно простой и дешёвый способ роста кристаллов, это одно из рекордных значений для подобных материалов, сопоставимое с параметрами аналогичных кристаллов выращенных более «чистым» методом физического парового транспорта, отмечает автор.

Органические светоизлучающие полупроводники используются в качестве активных слоёв светоизлучающих транзисторов:

— В дисплеях каждый пиксель представляет собой светодиод, который управляется одним транзистором. Мы можем объединить в одном устройстве функции как управления, так и излучения света. Кроме того, такие устройства по сравнению с обычными светодиодами более энергоэффективны, и в перспективе могут использоваться для создания органических лазеров с электрической накачкой, — объясняет Максим Казанцев.

Другой автор статьи, руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ и ГРОМ Евгений Мостович подчёркивает, что совместная междисциплинарная научная группа НИОХ и Новосибирского государственного университета — одна из немногих в России, занимающаяся органической электроникой и способная полностью пройти путь «идея молекулы — готовое устройство»:

— У нас есть специалисты из различных областей, которые занимаются квантово-химическими расчетами, моделируя молекулы и их свойства, органическим синтезом предложенных молекул, исследованием свойств полученных соединений, и, конечно, изготовлением и исследованием устройств органической электроники. Мы полностью закрываем этот цикл.

Следующими этапами работы станет сохранение и улучшение свойств полученных органических полупроводниковых кристаллов, а также исследование влияние структуры новых молекул на свойства получаемых полупроводниковых материалов.

Исследовательская работа проводится при поддержке со стороны руководства НИОХ СО РАН, НГУ, Российского фонда фундаментальных исследований и Фонда Бортника.

Анастасия Аникина