EN

Органическая электроника — сказка или реальность?

Представьте, что ваш ноутбук весит сто грамм, телефон сворачивается в трубочку и прячется в шариковой ручке, а в куртке или пальто вшиты солнечные батареи, позволяющие это всё заряжать. На первый взгляд, это фантастика. Но 10–15 лет назад фантастикой казалось то, к чему мы сейчас совершенно привыкли. За последние два десятилетия самые разные электронные гаджеты — стали практически неотъемлемой составляющей нашей жизни. В последние годы всё чаще говорят о концепции «Интернета вещей» — число устройств, подключенных к интернету уже превысило численность населения Земли.

Однако, существующие электронные устройства имеют ограниченную область применения за счёт их достаточного большого веса, хрупкости, сложности в производстве и вытекающей из неё дороговизны. Проблема заключается в том, что традиционные неорганические материалы для электроники — металлы и полупроводники (кремний, германий) — тяжёлые и хрупкие, а также требуют сложных условий обработки (например, рост монокристаллов кремния происходит длительное время при высокой температуре), что неизбежно сказывается на стоимости устройств.

Возникает естественная мысль — а почему бы не использовать в качестве активных материалов — металлов и полупроводников — органические вещества? Но мы привыкли, что органические материалы — пластмассы, резины и т.д. — хорошие изоляторы. Трудно поверить, но некоторые из них могут хорошо проводить ток и обладать другими полупроводниковыми свойствами, например, могу излучать свет.

В середине 20 в. была обнаружена электропроводность в ряде ароматических соединений, а в 1970х был открыт новый класс органических проводников/полупроводников — сопряжённые полимеры, за что в 2000 г. была присуждена Нобелевская премия А. Хигеру, А. Мак-Диармиду и Х. Ширакава.

Как известно, для того, чтобы материал проводил ток, необходимо наличие в нём зарядов, которые могли бы свободно перемещаться, т.е. были бы делокализованы. Такая делокализация возможна не только в неорганических металлах и полупроводниках, но и в органических молекулах, если электронные облака соседних атомов значительно перекрываются, образуя единую так называемую сопряжённая систему, что схематически изображено на рис. 1.

Рис. 1. Формирование сопряжённой системы π-электронов в цепочке углеродных атомов

Органическими полупроводниками и проводниками могут быть как низкомолекулярные вещества, так и полимеры.

Основные устройства органической электроники — солнечные батареи, светодиоды, транзисторы — представлены на рис. 2. Благодаря механическим свойствам органических материалов, эти устройства можно делать лёгкими, гибкими, дешёвыми и легко изготавливаемыми. Эти качества незаменимы для таких применений, как «носимая» электроника (вшитые в ткань одежды солнечные батареи или светоизлучающие устройства) и даже электронная одежда (обогревающая, меняющая окраску в зависимости от настроения владельца), одноразовая электроника (различные радиочастотные метки, сенсоры), широкоформатная электроника (информационные экраны), устройства автономного электроснабжения (солнечные батареи) и освещения (светодиодные панели).

Важной особенностью органических полупроводниковых материалов является их функциональная гибкость по сравнению с неорганическими материалами — химическую структуру составляющих материал молекул можно варьировать в зависимости от требуемых свойств. Простота изготовления может быть обеспечена тем, что в органических материалах связи между молекулами — слабые, и покрытия можно наносить из раствора. Предполагается, что устройства органической электроники можно будет создавать методами, развитыми в полимерной и полиграфической промышленности, например методом рулонной печати или струйной печати; наиболее оптимистические прогнозы предполагают, солнечные батареи и светоизлучающие плёнки что можно будет наносить прямо на стены или крышу чуть ли не с помощью кисти или оклеивать ими стены, как обоями. Наконец, органические электронные устройства могу быть не только гибкими, но и растяжимыми, что было недавно продемонстрировано компанией Panasonic. Конечно, устройства органической электроники обладают, помимо неоспоримых преимуществ, существенными недостатками, включающими относительно низкую эффективность (например, КПД лучших органических солнечных батарей составляет всего 12% по сравнению с 46% для неорганических), а также низкую стабильность по отношению к воздействию окружающей среды (соответственно, возникает необходимость дополнительной защиты от нее). Поэтому, не стоит ожидать, что органическая электроника полностью вытеснит неорганическую, но наиболее вероятно, что она займёт свою нишу — перечисленные выше области, в которых неорганическая электроника неприменима или нерентабельна.

Рис. 2. Основные типы устройств органической электроники

Несколько лет назад органическая электроника вышла за пределы лаборатории, и на рынке появились первые полимерные солнечные батареи и светоизлучающие устройства — органические светодиоды (OLED). Если солнечные батареи пока не получили широкого распространения, то органические светодиоды используются в мобильных телефонах южнокорейских производителей электроники. Apple также рассматривает возможность перехода от традиционных жидкокристаллических (LCD) дисплеев к OLED-дисплеям в i-Phone. Несмотря на то, что цена на OLED-телевизоры сейчас выше, чем на LCD, есть все основания полагать, что в ближайшем будущем ситуация изменится в обратную сторону.

Органическая электроника развивается и в России. Растёт число исследовательских лабораторий, а также создаются научно-промышленные центры для разработки и производства прототипов новых устройств. Например, в 2015 г. началось строительство центра гибкой и печатной электроники в инновационном центре «Техноспарк» в подмосковном Троицке, подобный проект разрабатывает ЛЭТИ в Санкт-Петербурге.

Лаборатория органической электроники (www.sunhen.phys.msu.ru) кафедры волновых процессов и Международного лазерного центра МГУ была создана еще тогда, когда в нашей стране органической электроникой практически никто не занимался — в 2001 г. С тех пор в лаборатории налажен полный цикл создания органических солнечных батарей и органических транзисторов (за исключением синтеза химических соединений, что делают коллеги-химики), а также исследование их характеристик. При изготовлении устройств на основе ряда органических полупроводников желательно избегать их контакта с кислородом и парами воды (воздухом). Поэтому для создания эффективных устройств в лаборатории используются т.н. «перчаточные боксы», заполненные инертным газом — аргоном. Отлаженный процесс изготовления и современное оборудование, а главное — высокая квалификация сотрудников и студентов позволяют получать образцы солнечных батарей и транзисторов, соответствующие мировому уровню.

Рис. 3. Оборудование для создания (а, перчаточный бокс) и исследования (б, Нанораман-спектрометр Renishaw) устройств органической электроники. На вставке панели (а) представлены изготовленные в лаборатории образцы солнечных батарей

Однако, разработка устройств органической электроники и не является единственным направлением деятельности лаборатории. Для получения нового эффективного устройства органической электроники нужно глубокое понимание процессов формирования плёнки (кристалла) из раствора или из газовой фазы, транспорта заряда, а также преобразования энергии света в электрическую (в солнечных батареях) и наоборот (в светоизлучающих устройствах). В связи с этим, особое внимание в лаборатории уделяется фундаментальным вопросам функционирования устройств органической электроники. И здесь открывается весьма сложная и интересная физика. Органические металлы и полупроводники имеют два уровня структуры — молекулярный, в котором сильные межатомные связи, и межмолекулярный, обуславливаемый слабыми межмолекулярными (например, ван-дер-ваальсовыми) связями; при этом на работу устройства оказывают влияние оба уровня структуры.

Для исследования различных процессов, протекающих в устройствах органической электроники, в лаборатории применяются различные экспериментальные методы, в т.ч. высокоточные методы — атомно-силовая микроскопия, спектроскопия фототеплового поглощения, позволяющая обнаруживать очень низкие концентрации дефектов (примесей) в материале, спектроскопия комбинационного рассеяния и др. методы.

В лаборатории органической электроники получен ряд приоритетных результатов, касающихся свойств органических электронных материалов. Показано, что добавка низкомолекулярных веществ в сопряженный полимер может приводить к качественному изменению фотофизики плёнки.

Рис. 4. Коллектив лаборатории органической электроники МГУ

Обнаружены органические кристаллы, обладающие необычным сочетанием высокой подвижности зарядов и высокой эффективности фотолюминесценции, что позволяет надеяться на создание светоизлучающего транзистора (OLET) и, возможно, органического тонкопленочного лазера на их основе. С помощью компьютерного моделирования предложены пути по увеличению эффективности солнечных батарей и критерии выбора эффективных материалов. Подробную информацию с популярным изложением полученных результатов в лаборатории можно найти на нашем сайте(www.sunhen.phys.msu.ru).

В заключение отметим, что каким бы замечательным не было оборудование лаборатории, главное в ней — люди. В лаборатории органической электроники — большой, молодой и амбициозный коллектив (см. рис. 4), который всегда рад принять желающих развиваться самим и развивать науку. Студенты активно участвуют в научной работе, работая исполнителями различных грантов и проектов, в т.ч. международных, выступают на российских и международных конференциях, а результаты их работ публикуются в высокорейтинговых зарубежных журналах. На протяжении последних трёх лет лаборатория выступает одним из организаторов Международной школы-конференции по органической электронике, проходящей в Подмосковье. На нее приезжают мировые лидеры области и читают лекции молодым учеными и студентам. Налажено взаимодействие с зарубежными институтами, а лучшие студенты проходят стажировки за рубежом. Лаборатория регулярно выигрывает различные гранты и получает современное оборудование по Программе развития МГУ.

мнс Сосорев А.Ю., профессор Паращук Д.Ю, кафедра общей физики и волновых процессов

Назад