Журнал Sistema science, "Дизайн органических полупроводников", стр. 72-75.
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ трудно себе представить без сложных микросхем, мощных процессоров и контрастных дисплеев. Работа ни одной микросхемы, в свою очередь, невозможна без полупроводников, качество которых зависит от множества факторов. Их анализ требует больших затрат — как денежных, так и временных. В таком случае на помощь приходят специалисты по молекулярному смарт-дизайну.
ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ НАСТОЯЩЕЕ
Необычные и удивительные свойства встречаются там, где сталкиваются две противоположности. Расположенные на тонкой грани между проводящими и непроводящими материалами (диэлектриками), полупроводники не перестают поражать ученых разнообразием своих свойств и полезных применений. Например, именно благодаря возможности «переключать» полупроводник из диэлектрического состояния в проводящее стали возможными такие важнейшие элементы электронных устройств, как транзисторы, меняющие силу тока в зависимости от режима работы, и диоды, проводящие ток только в одном направлении. На сегодняшний день транзисторы и диоды можно встретить практически в любой электрической цепи: от простейших генераторов сигнала и электронных ключей до интегральных микросхем, содержащих миллиарды структурных компонентов. Долгие десятилетия наиболее распространенными полупроводниками оставались неорганические соединения, разнообразные сплавы и композитные материалы на основе кремния, германия, галлия, индия и других элементов. Высокая стабильность и подвижность зарядов, тонко настраиваемые свойства — все это позволило им захватить мир электронных устройств. А вот совершить новый прорыв в науке и технологии парадоксальным образом помогли их недостатки: высокая стоимость производства и требования к чистоте, механическая хрупкость и низкая распространенность некоторых элементов в природе заставили ученых искать альтернативу. И она была обнаружена в органической химии.
НОВЫЙ ПУТЬ
Органическая электроника, которая до недавнего времени оставалась уделом красивых концептов и несбыточных мечтаний, сегодня нашла свой путь к практически каждому аспекту нашей жизни. Причина тому — целый спектр уникальных свойств, чаще всего недостижимых для неорганических полупроводников: механическая гибкость, биоразлагаемость и биосовместимость, возможность переработки и нанесения на пластиковую подложку прямо из раствора, например методом печати, минуя дорогостоящие стадии очистки и обработки. Смартфон в кармане джинсов, «умные» часы на запястье, сенсоры здоровья — все эти устройства стали возможными благодаря удивительному разнообразию полупроводниковых органических молекул.
Но вместе с разнообразием свойств и форм всегда приходят и сложности. Подобно тому как иголку трудно найти в стоге сена, новые и перспективные органические полупроводники сложно получить на практике, оперируя множеством структурных формул. Порой самое незначительное изменение в структуре молекулы может привести к радикально иным свойствам материала, что делает прямой перебор крайне трудоемкой и рискованной задачей.
Вот тут на помощь ученым и приходит молекулярный смарт-дизайн — набор комплексных знаний и принципов, которые позволяют отсеять заведомо тупиковые пути поиска перспективных органических полупроводников и сосредоточиться на наиболее многообещающих.
ИГРА В КОНСТРУКТОР
Химический синтез перспективных материалов для органической электроники во многом напоминает сложный конструктор. Модификация ранее известных структурных блоков, создание принципиально новых, а затем последовательная сборка материала из разрозненных деталей — все это примеры разнообразных инструментов в арсенале химика. Как и любой конструктор, составные детали органических полупроводников должны сочетаться между собой по особым правилам, иначе желаемого результата не достичь. К таковым можно отнести: подбор наиболее сочетающихся ароматических структурных блоков, подходящих заместителей для приемлемой растворимости или придания определенных электронных и химических свойств. Именно это и лежит в основе молекулярного смарт-дизайна.
К примеру, мы знаем, что серосодержащие молекулы, состоящие из нескольких последовательно соединенных ароматических циклов, являются отличными органическими полу проводниками с хорошим и сбалансированным транспортом зарядов, однако они печально известны своей низкой растворимостью, что усложняет работу с ними. Но стоит только модифицировать один из структурных блоков и заменить атом серы на атом кислорода, как свойства таких соединений разительно меняются: их растворимость повышается в разы, эффективность излучения света растет, что открывает новые возможные применения таких материалов, а полупроводниковые свойства при этом остаются на прежнем, высоком уровне.
Изменение свойств материала при введении новых структурных блоков зависит от их химических свойств и даже формы. Так, некоторые из них либо слишком малы, либо недостаточно сильны, чтобы повлиять на свойства отдельно взятой молекулы. Но именно это ученым и нужно, ведь кристаллическая структура материала в целом реагирует на подобные изменения гораздо более чувствительно. Варьируя положение и форму новых блоков, исследователи получают возможность тонко настраивать взаимное расположение молекул в кристалле, достигая наилучших свойств.
ОДНИМ ИЗ ПРОРЫВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ДАННОЙ ОБЛАСТИ СТАЛО ВНЕСЕНИЕ ЭЛЕКТРОНАКЦЕПТОРНЫХ ДОПАНТОВ В ПОЛИАЦЕТИЛЕН, ЧТО ПОЗВОЛИЛО НАДЕЛИТЬ ЭТОТ ПОЛИМЕР ПРОВОДЯЩИМИ СВОЙСТВАМИ — ВПЕРВЫЕ В ИСТОРИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ.
Для настройки свойств отдельно взятой молекулы исследователи могут добавлять в ее структуру различные электронакцепторные (оттягивающие электронную плотность) или электрон-донорные (отдающие электронную плотность) группы. Такие модификации позволяют тонко настраивать энергетическую структуру молекулы. Например, введение атомов фтора позволяет снизить энергию электронов, участвующих в процессах химического и электрохимического разложения и переноса заряда внутри кристалла. Тем самым достигаются большая стабильность материала и его лучшие полупроводниковые свойства.
Целенаправленные химические модификации органических молекул и получение новых материалов на их основе — это мощные инструменты в арсенале молекулярного смарт-дизайна. Но при всех их преимуществах они не лишены недостатков. Химический синтез — долгий и трудоемкий процесс, требующий тонкого и осторожного подхода. Один неправильный шаг, непредвиденный эффект — и конечный результат может оказаться совсем не тем, который хотелось бы получить. Но, к счастью, молекулярный смарт-дизайн не ограничивается одними лишь химическими модификациями.
ВОПРОС КОНЦЕНТРАЦИИ
Примеси в органических соединениях могут быть как проклятием, так и благословением. Слишком большая концентрация — и материал лишается всех своих положительных свойств, нередко превращаясь в аморфную смесь. Однако крайне малое содержание примеси в материале может привести к прямо противоположному результату: его кристаллическая структура остается неизменной, а сам он приобретает лучшие свойства. Процесс целенаправленного внесения малого количества примеси (допанта) в материал называется допированием. Являясь одним из способов молекулярного смарт-дизайна, такой подход позволяет ученым модифицировать уже существующие материалы, минуя длительный и дорогостоящий этап органического синтеза.
Идея допирования неорганических полупроводников не нова и на протяжении долгого времени является универсальным инструментом, без которого ни один полупроводник, как правило, не используется. Допирование же органических материалов зародилось в 70-х годах. Так, одним из прорывных исследований в данной области стало внесение электрон-акцепторных допантов в полиацетилен, что позволило наделить этот полимер проводящими свойствами — впервые в истории органических соединений. За это открытие американцы Алан Хигер и Алан Макдиармид, а также японец Хидеки Ширакава были удостоены Нобелевской премии по химии в 2000 году. Другой, но не менее важной вехой в развитии допирования стало открытие PEDOT:PSS — смеси двух полимеров, также обладающей проводящими свойствами. В наши дни PEDOT:PSS — настоящая «рабочая лошадка» органической электроники и один из наиболее популярных проводящих полимеров, уже применяющийся в термоэлектронных элементах, антистатических покрытиях и прозрачных проводящих пленках для органических дисплеев (торговые марки Clevious и Orgacon).
Впрочем, современное развитие допирования не останавливается на органических полимерах. Так, в лаборатории органической электроники НИОХ СО РАН под руководством Максима Сергеевича Казанцева и в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, проводятся исследования в области допирования монокристаллических органических материалов.
Для нужд органической электроники особенно важно, чтобы полупроводниковые и светоизлучающие свойства достигались одновременно. Материалы, что удовлетворяют этому критерию, могут быть использованы в устройствах нового поколения, где светоизлучающая матрица и управляющие микроконтроллеры соединены в рамках одного структурного элемента. Однако достижение этой цели сопряжено с фундаментальной проблемой. Для лучших полупроводниковых свойств необходима более плотная кристаллическая упаковка, но она же, в свою очередь, приводит к снижению эффективности излучения.
Тем не менее применение допирования открывает эффективный способ получить полупроводниковые и светоизлучающие свойства в одном материале. Так называемые молекулы «хозяина», содержащиеся в большой концентрации и задающие кристаллическую структуру материала, гарантируют эффективный транспорт зарядов. Молекулы допанта, или же «гостя», содержатся в материале в крайне низкой концентрации, а потому шанс на то, что два «гостя» окажутся рядом, ничтожно мал. По причине этого молекулы «гостя» оказываются лишены наиболее эффективных способов тушения люминесценции. Ученым остается лишь удостовериться, что «гость» излучает свет эффективнее «хозяина» — в таком случае люминесцентные свойства будет задавать именно первый. Таким образом, при помощи допирования исследователи могут достичь полупроводниковых свойств, сочетающихся с практически 100 % эффективностью излучения — и все это в рамках одного материала.
ГРАНЬ БУДУЩЕГО
Проникновение в мир органических полупроводников дает человечеству целый ряд совершенно новых возможностей, способных преобразить нашу повседневную жизнь во многих ее аспектах. Так, гибкие и дешевые органические солнечные элементы, которые возможно нанести практически на любую поверхность (от оконного стекла и крыши до одежды), будут использоваться для создания децентрализованной сети электроснабжения, где каждый отдельный дом или даже прибор сам может снабжать себя электричеством. В свою очередь, аккумуляторы на основе органических молекул позволят решить проблему накопления, хранения и транспортировки полученной энергии, а их легкость и высокая температурная стойкость допускают их использование практически в любых условиях. Находящиеся в разработке биосенсоры и биоинтерфейсы на основе органических полупроводников позволят ученым приблизиться к созданию искусственных органов чувств человека или проводить мониторинг состояния пациента в режиме реального времени, избегая длительных и дорогостоящих анализов. Наконец, разнообразные сенсоры (давления, света, жидких и газообразных загрязнителей) на основе органических молекул позволят заменить комплексные механические детектирующие устройства компактными электронными микросхемами и «умными» анализаторами.
Весь этот задел будущего формируется уже сегодня благодаря усилиям тысяч исследователей, десятков научных центров и лабораторий, работающих в области органической электроники. Но без подходов молекулярного смарт-дизайна достижения органической электроники были бы сегодня скромнее, так как именно он позволяет отсеять миллионы тупиковых путей и дать возможность двигать прогресс по наиболее перспективному направлению.
ИСТОЧНИК
Журнал Sistema science, "Дизайн органических полупроводников", стр. 72-75.
