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».