В науке есть целое направление, которое занимается изучением и разработкой электронных устройств на базе органических полупроводников. Эта область называется органоэлектроникой.

Удивительно, что если загуглить этот термин, выдача будет крайне скупа. Этой статьей хочу исправить сие недоразумение и рассказать не только о сильных сторонах направления, но и о проблемных.

Что такое органоэлектроника

Привычная всем электроника основана на кремнии — именно он служит базой для создания неорганических полупроводников. При этом сам кремний не содержит углерода, а значит все его производные — неорганические.

Органоэлектроника, она же органическая электроника (organic electronics), наоборот — работает на базе полупроводников с молекулами углерода. То есть само понятие не означает, что используется какая-то эфемерная жидкость. Нет.

Конечно, наиболее привычными органическими соединениями являются биологические молекулы, но в эту категорию также входят продукты, полученные из углеводородов: и нефтехимия, и масла, и пластмассы. При этом часто возникает заблуждение, что абсолютно все полимеры, в частности, из-за репутации изоляторов, не могут проводить электричество. Но это не так. Есть полимерные соединения, которые мало того, что проводят ток, так и не теряют основные свойства, которые позволяют создавать гибкие, прозрачные и легкие материалы.

Органоэлектроника — повсюду

Органические соединения представляют собой обширный и разнообразный класс веществ, отличающихся множеством функциональных групп — специфических скоплений атомов, обладающих уникальными свойствами. Благодаря этому многообразию «настройка» электронных характеристик органических материалов становится достаточно простой задачей — нужно просто подобрать подходящую функциональную группу.

Разные группы могут либо забирать электроны, либо, наоборот, отдавать их, что позволяет создавать точные комбинации для настройки свойств материалов. К примеру, с помощью изменения функциональных групп можно оптимизировать флуоресценцию в светоизлучающих диодах. Более того — контролировать светопоглощение этих материалов, что делает их идеальными кандидатами для использования в солнечных батареях.

Но мы далеко не первооткрыватели таких свойств, они известны научному миру давно. Сегодня с органоэлектроникой, вероятно, сталкиваются все. Яркий пример — различные экраны на базе OLED, которые довольно распространены в смартфонах и телевизорах. Но даже до этого были жидкокристаллические устройства. К слову, первый ЖК-дисплей, созданный Джорджем Хейлмейером в 1964 году, по праву можно назвать органическим.

Я убежден, что через 50 лет вы увидите гораздо более органических роботов, которые могут выполнять функции, непосильные их неорганическим предшественникам

Андрес Хирш

профессор в университете Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберга

Использование органических материалов в фотоэлектрических устройствах вызывает множество дискуссий и вопросов у специалистов. Несмотря на то, что кремниевая технология остается лидером по показателям эффективности и долгосрочной стабильности, процесс производства монокристаллического кремния крайне затратен. А контроль морфологии этого материала (формы и структуры) представляет собой немалую сложность.

Другие устройства, в которых применяют органические соединения:

• электронные бумажные устройства — органические материалы используются в дисплеях e-ink, которые требуют минимального энергопотребления и обеспечивают комфортное восприятие текста;

• гибкие устройства — органоэлектронные компоненты позволяют создавать устройства с гибкой структурой, которые можно применять в носимых технологиях, таких как смарт-часы и фитнес-трекеры;

• интеллектуальные упаковки — органические датчики могут быть интегрированы в упаковку продуктов для мониторинга состояния и сроков годности.

Иконы органоэлектроники

Кремний — это «лицо» современной электроники. Но в мире органоэлектроники тоже есть материалы, которые набирают популярность.

1. Органические полупроводники — это молекулы или полимеры, которые могут проводить электрический ток. Например, полифениленвинилен (PPV), олигомеры на основе фуллерена и различные производные бензотриазола.

2. Органические фотоэлектрические материалы — например, ПЭГ (полиэтиленгликоль) и маломолекулярные соединения, которые способны поглощать солнечное излучение и превращать его в электрическую энергию.

4. Фуллерены — молекулы углерода, известные своей уникальной структурой. Они активно используются в органических солнечных элементах и других электронных устройствах благодаря отличным электронным свойствам.

5. Фталоцианины (металлофталоцианины) — это химические соединения с яркой цветовой палитрой, которые состоят из углерода, азота и металлов. Они широко используются в красках, пластиковых материалах и текстиле благодаря своей стойкости. Также их применяют в фотоэлементах, катализаторах и медицине.

И не только. Отдельно хотелось бы выделить пару материалов, потенциал которых раскрыт пока не на полную.

Selectel Tech Day — 8 октября

Разберем реальный опыт IT-команд, технический бэкстейдж и ML без спецэффектов. 15 стендов и интерактивных зон, доклады, мастер-классы, вечерняя программа и нетворкинг. Участие бесплатное: нужна только регистрация.

Зарегистрироваться →

Графен

​​Это наиболее известный двумерный материал, который состоит из атомов углерода, связанных друг с другом в форме шестиугольников и напоминающих пчелиные соты. 

Именно из графена получают различные углеродные материалы. Яркие примеры — графит и фуллерены, о которых написано выше. Графит можно представить как торт Наполеон со слабо связанными листами графена. Притом вспомните: сам по себе карандаш, а то и графитовый стержень всегда можно немного согнуть. Это свойство мы еще вспомним.

Еще если свернуть графен в трубку или сферу, то получаются фуллерены. Они подразделяются на углеродные нанотрубки и шары Бакминстера (buckyballs). Хотя есть и другие формы. Но это уже небольшое отступление от темы. Главное — свойства графена, которые точь-в-точь описывают наши ожидания от органоэлектроники.

• Уникальная прочность и легкость. Графен примерно в 100 раз прочнее стали, при этом сталь примерно в 300-400 раз тяжелее. Все это — благодаря структуре решетки и плотности, которая составляет около 0,77 мг/м2 у графена и 7,8 г/см³ в случае стали.

• Баллистическая проводимость. Графен является одним из лучших проводников электричества, его даже выделяют в класс сверхпроводников. Проводимость составляет примерно 10^4 Сименс на сантиметр, а подвижность электронов может достигать достигать 200 000 см²/(В·с), что в 140 раз больше, чем у кремния.

• Гибкость. Графен крайне тонкий и может быть легко изгибаем, что делает его пригодным для создания гибкой электроники, например, в сгибаемых смартфонах или носимых устройствах.

• Прозрачность. Графен практически прозрачный, что позволяет использовать его в дисплеях и солнечных элементах без потери качества изображения.

Иначе говоря, графен можно охарактеризовать простой фразой, которая описывает все его преимущества. Графен — это тонкий слой атомов, которые проводят ток. 

На данный момент графен широко используется в аккумуляторах и оптоэлектронных структурах. Например, фотон «прилетает» и дает какой-то электрический сигнал — для этого всего графен подходит идеальным образом. Он пропускает более 95% света и в то же время баллистически передает электрический ток. Именно поэтому у графена большие перспективы в оптоэлектронных устройствах.

Что касается процессоров, то в этой области пока достаточно и кремния. Выше проводимость — выше диапазон частот. Но зачем нам сейчас процессоры с частотами в десятки раз выше текущих? Как с ними работать? Для каких задач использовать? В этом смысле графен пока опережает свое время.

Если же говорить о гибкости графена, то в совокупности со сверхпроводимостью это очень нужное свойство для создания органоэлектронных сенсорных панелей. Единственное, вероятно, они будут сверхчувствительными — из-за чего с проводимостью придется даже бороться.

Ацетилен

Это самая настоящая забытая химия будущего. Ацетилен — один из простейших углеводородов, который был открыт почти два века назад. С тех пор его применение ограничивалось в основном резкой и сваркой металлов. Однако уже в начале XX века химики обнаружили множество увлекательных реакций с этой молекулой, которые открывают новые горизонты для использования ацетилена.

Весь XX век стал эпохой появления новых материалов, особенно — полимеров. Большинство из этих соединений синтезируется на основе нефти. Если этилен и пропилен можно изготавливать из природного газа, то многие другие материалы, содержащие бензольные кольца, зависят исключительно от нефтехимии.

Однако ацетилен, который может быть получен из альтернативных источников, обещает стать не только заменой нефти, но и более эффективной альтернативой угольной энергетике. А ведь мы время от времени забываем, что запасы нефти не бесконечны и разговоры о ее истощении становятся все более актуальными.

Можно сказать, ацетилен — новый источник полимеров. Долгое время к его изучению подходили осторожно. Основная проблема ацетилена в том, что он взрывоопасен, причем в любых соотношениях с воздухом, что делает его категорически небезопасным в обращении.

Однако вот уже более чем 120 лет со дня его рождения химия ацетилена развивается. Например, особенно активно им занимается Иркутский институт химии СО РАН в лице Андрея Иванова, доктора химических наук. Он же дал интересное интервью о работе с ацетиленом.

Именно команда Андрея Викторовича умеет систематически использовать супероснование в химии ацетилена. Оно же позволяет получать совершенно уникальные результаты в очень мягких условиях. Команда института работает в системах, в которых ацетилен растворен, и сама эта растворенная система, которая не склонна к взрывообразованию, является каталитической.

Сегодня суперосновные системы позволяют получать продукты, которые в других ситуациях из ацетилена вообще нельзя было получить. Например, те же пирролы и индолы — строительные блоки органоэлектронике.

Слабые стороны органоэлектроники

Органоэлектроника — крайне интересное научное направление, но материалы, на которых она базируется, имеют не только преимущества, но и недостатки.

• Ограниченный срок службы. Время работы многих органических устройств, таких как OLED-дисплеи, может быть меньше по сравнению с традиционными неорганическими аналогами из-за деградации материалов.

• Чувствительность к окружающей среде. Органические полупроводники могут быть чувствительны к влаге и кислороду, что требует дополнительных защитных слоев. Эта же нить может прослеживаться и на этапе производства, если ацетилен все же полноценно войдет в обиход. 

• Низкая подвижность носителей заряда. Так или иначе, вещества на основе органических углеродных молекул хуже проводят электричество чем, скажем, медь, и несколько хуже кремния в качестве основы микрочипов. Графен «нарушает» это правило из-за своей структуре, в которой электронам просто перемещаться.

• Ограниченность спектра доступных материалов. Хотя исследования продолжаются, разнообразие органических полупроводников пока еще не так велико, как у неорганических. С этим, действительно, сложно поспорить.

И это мы еще не затронули вопрос о технологических ограничениях. Согласитесь, получать графен с помощью скотча и графитовой стружки — сомнительная задача. Хотя сегодня ее пытается решить проект GRAPHENOCHEM. Команда исследователей изучает способы получения графена в больших количествах.

Что думаете насчет органоэлектроники вы? В каких сферах она потеснит классическую электронику? Пишите в комментариях, интересно будет пообщаться.