CC BY
107
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
Будущее —
за полимерной электроникой
А. Н. Алешин,
к. ф.-м. н., ФТИ им. а. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург
Известно, что обычные полимерные материалы являются диэлектриками и не проводят электричества. Из них делают покрытие проводов и кабелей, монтажные панели для электронных схем и другие изоляторы. Однако модифицированные полимерные материалы оказались способными проводить электричество, что заставило изменить общепринятую точку зрения. Физики Алан Хигер, директор Института полимеров и твердых органических соединений Калифорнийского университета (г. Санта-Барбара), Алан Мак-Диамид, профессор Пенсильванского университета
(США) и химик Хидеки Шикава, профессор Института материаловедения (г. Цукуба, Япония) были удостоены Нобелевской премии по химии в 2000 году за открытие и совершенствование проводящих полимеров.
Материалы, о которых идет речь, относятся к новому поколению полимеров. Их молекулы представляют одномерные цепочки. В молекуле полимера, способного проводить электрический ток, имеются атомы углерода, соединенные попеременно двойными и одинарными связями. В каждой из этих связей имеется либо лишний электрон, либо вакансия — отсутствующий электрон. Когда к молекуле подсоединяются дополнительные атомы легирующей примеси, вакансии и электроны получают возможность двигаться в противоположных направлениях вдоль молекулы полимера — возникает электрический ток.
Исследования, начатые в конце семидесятых годов Хигером, Мак-Диамидом и Шикавой, довольно быстро привели к созданию целого класса проводящих полимеров. Как это часто бывает в истории науки, открытию помогла случайность. Студент
76
Инновационный потенциал науки
Шикавы как-то по ошибке добавил слишком много катализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это наводило на мысль о том, что он перестал быть изолятором. В то же самое время на американском континенте химик Мак-Диамид и физик Хигер безуспешно пытались сделать полимер проводящим. На семинаре в Токио Шикаве и Мак-Диамиду во время перерыва удалось рассказать друг другу о своих достижениях, после чего японец немедленно был приглашен в Пенсильванский университет. Уже там поиск привел к открытию полимера с проводимостью, в десятки миллионов раз превосходящей обычный пластик. В пресс-релизе Нобелевского комитета отмечалось, что особенно интересным и перспективным приложением проводящих полимеров будет полимерная и молекулярная электроника.
Полимеры нового поколения уже нашли широкое применение в технике, физике и химии. Из них делают фото- и кинопленки, покрытия экранов телевизоров и компьютерных мониторов (они не электризуются и перестают собирать пыль), оконные стекла, задерживающие слишком яркий солнечный свет. Более того, полимеры, имеющие свойства полупроводников, уже применяются в светодиодах, солнечных батареях, дисплеях мобильных телефонов, портативных компьютеров и телевизоров.
Это важнейшее применение нового поколения проводящих полимеров основано на изобретении органических источников света, известных как полимерные светодиоды (ПСД). Изобретенные в 1990 г. Джереми Берроузом, Ричардом Френдом и их коллегами из Кембриджского университета, они изготавливаются при помощи напыления вращением. тонкий слой полимера наносится на подложку и под действием центробежной силы растекается по ней, когда ее раскручивают до скорости от 1200 до 1500 об./мин. Затем подложку нагревают, чтобы испарить растворитель и завершить полимеризацию. Полимерные светодиоды имеют преимущество перед неорганическими по энергопотреблению, поскольку более высокая электрическая проводимость полимерных слоев позволяет снизить управляющее напряжение.
Ранние модели ПСД состояли из единственного активного слоя полифенилвинилена (PPV), расположенного между металлическими контактами из 1ТО и кальция, для обеспечения инжекции и дырок, и электронов, как в ОСД. 1ТО играет роль поставщика дырок, а кальций отдает электроны. Современные ПСД содержат еще один слой полимера для инжекции и переноса дырок. PPV излучает желтый свет и характеризуется отличным КПД и большой наработкой на отказ: обеспечивая приемлемую яркость компьютерного дисплея, он может работать более 10 тыс. часов, что соответствует 10 годам регулярного использования. (Были продемонстрированы и полноцветные прототипы.) На основе органических молекул поли-флуорена были разработаны и другие виды полимеров и их смесей. Подбирая вещества, состоящие из
молекул различной длины, можно получить любой цвет — от красного до зеленого.
Достижения в области химии проводящих полимеров вызовут бурное развитие молекулярной электроники. В перспективе транзисторы и другие элементы электронных схем будут уменьшены до размеров отдельных молекул. Это позволит сильно увеличить их быстродействие и собрать мощный компьютер в объеме наручных часов.
Кстати, недавно появилось сообщение о том, что ученые из Кембриджского университета уже разработали технологию производства микросхем из полимерных материалов. Компания Plastic Logic обещает скоро представить прототип сверхдешевой пластиковой микросхемы.
Исследования электрофизических и оптических свойств первого поколения полимерных материалов активно проводились (в том числе и ФТИ им. А. Ф. Иоффе) еще в 1960-х годах. Однако появление после 1977 года последнего поколения проводящих полимеров сделало весьма актуальным их тщательное исследование. Актуальность вопроса была обусловлена в первую очередь поиском сверхпроводимости, которая в таких материалах была предсказана теоретически. во-вторых, происходили оптимизация синтеза и анализ свойств таких полимеров с точки зрения их применения в органической электронике (светодиоды, транзисторы и т. д.).
Автор этой статьи начал свою работу в ФтИ им. А. Ф. Иоффе с исследований электрофизических свойств неупорядоченных полупропроводниковых пленок. эти исследования вскоре были сфокусированы на проводящих полимерных пленках в связи с появлением в то время работ по транспорту в новых полимерных материалах. в то время нас интересовали свойства сопряженных полимеров, которые они приобретают после их облучения ускоренными до энергий порядка 100 кэВ ионами инертных газов — аргона, азота и др. дело в том, что проводимость таких облученных пленок возрастала на 10-15 порядков, достигая значений 100-1000 S/см и сохраняя такую высокую проводимость в течение нескольких лет. Наши работы получили развитие в разработке криогенных датчиков температуры на основе таких, облученных ионами полимеров. другим направлением работ в то время были исследования электронных свойств легированных пленок полиацетилена — проводящего полимера, впервые исследованного будущими нобелевскими лауреатами в 1977 году. эти работы проводились в сотрудничестве с химиками из Института химической физики (г. Москва). По результатам этих исследований в ФтИ мною была защищена кандидатская диссертация в 1989 году. Следует отметить, что существенное влияние на эффективность проводимых нами исследований оказали события 19801990-х годов, которые привели к существенному снижению финансирования науки. в частности, в нашем случае проводить модификацию свойств полимеров
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007
путем облучения высокоэнергетичными ионами оказалось слишком дорого. необходимо было искать какие-то другие возможности для проведения научных исследований в области проводящих полимеров на высоком конкурентоспособном уровне.
В 1994 году мне предоставилась уникальная возможность наладить контакты с мировыми лидерами в области исследований проводящих полимеров — Институтом полимеров и твердых органических соединений в г. Санта-Барбара (Калифорния, США). Алан Хигер, возглавлявший институт, заинтересовался моими исследованиями. Параллельно мне удалось организовать совместную работу и с биологическим факультетом Университета Лос-Анжелеса (Калифорния). Результатом этих усилий явилась моя работа в Институте полимеров и твердых органических соединений в г. Санта-Барбаре в 1996-1997 гг. Следует отметить, что все работы в институте Алана хигера в то время были направлены на синтез и исследование свойств полимеров, пригодных для создания органических светодиодов. В мою задачу входило исследование свойств проводящих полимерных слоев для инжекции носителей в активный слой светодиодов. Были впервые исследованы стабильные проводящие полимеры, которые сейчас широко используются в составе органических светодиодов. После возвращения из США я получил приглашение в Або универ-сит г. турку (Финляндия) для проведения комплекса исследований органических транзисторов, необходимых для управления светодиодами в дисплейной матрице. В дальнейшем по рекомендации Алана хигера я работал приглашенным профессором в Политехническом университете г. Лозанна (Швейцария) (где мы исследовали свойства транзисторов на органических кристаллах в связи с публикациями Шона из Бэлл Лаб.), а также в Сеульском национальном университете (г. Сеул, Корея), где проводились работы по исследованию свойств квазиодномерных полимерных нанопроводов, что является весьма актуальной тематикой для органической наноэлектроники в связи с необходимостью увеличения плотности транзисторов в интегральных схемах будущего. моя работа в Корее включала как чтение лекций по органическим полупроводникам для аспирантов, так и научные исследования по этой теме. результаты проведенных исследований были отражены в первом обзоре на эту тему, опубликованном в 2006 году в журнале Advanced Materials (импакт фактор = 9.105), который в то время вошел в десятку наиболее читаемых статей этого журнала. надо отметить, что одним из результатов работы лаборатории явилось присуждение ей статуса национальной лаборатории в рамках Кореи, в чем был и мой посильный вклад. Параллельно с исследованием полимерных нанопроводов нами велись исследования, связанные с совершенствованием компонентов органических светодиодов. Их результатом явилось обнаружение эффекта переключения цвета излучения фотолюминесценции под воздействием приложенного электрического поля в композитных
пленках полимер-неорганические наночастицы. новизной разрабатываемых нами структур является их способность перестраивать длину волны излучения в широком спектральном диапазоне, а также переключаться в устойчивые состояния с фиксированной интенсивностью излучения, что предоставляет возможность получения новых, более простых схемных решений для архитектуры светодиодных матриц. реализация данных свойств обеспечивается применением новых органических, а также композитных материалов на основе электрически и оптически активных полимеров и неорганических наночастиц. Предложенный нами подход к решению научной задачи совмещает высокую технологичность органических и полимерных материалов с превосходными оптическими и электрическими свойствами неорганических нанокристаллов. При соответствующем выборе компонентов для композитных слоев легко получить дешевые источники белого света, что открывает безграничные возможности для их практического применения. Важно еще раз подчеркнуть, что наши результаты коррелируют с тематикой исследований, проводимых в ведущих центрах и компаниях по органической электронике и являются чрезвычайно актуальными для практического применения органических светодиодов.
основным результатом наших совместных исследований с зарубежными коллегами в области проводящих полимеров явился огромный опыт и понимание наиболее перспективных направлений в этой области на сегодняшний день. Полученный опыт позволяет проводить экспертную оценку перспективности текущих работ в этой области, их актуальности и соответствия потребностям времени. этот опыт активно используется автором при работе в качестве официального рецензента в таких журналах, как Physical Review B, Physical Review Letters, Nanotechnology и др. В то же время необходимо отметить, что сегодня в россии уделяется недостаточно внимания проблемам в области полимерной и молекулярной электроники, органических нанотехнологий, что явно не соответствует важности этого направления. Критический анализ опыта работы автора в ведущих мировых центрах по исследованию органических материалов показывает, что это и смежные с ним направления являются одними из приоритетных национальных проектов во всех экономически развитых странах (особенно в таких, как США, Япония, Корея, Тайвань). Финансирование таких проектов осуществляется, как правило, из национальных источников, при этом особое внимание уделяется тому, чтобы вновь создаваемая интеллектуальная собственность оставалась в стране финансирования. международное сотрудничество, если и допускается, то только путем приглашения ведущих зарубежных специалистов и экспертов в национальные центры для более быстрого и эффективного проведения работ по обсуждаемой теме. В этой связи нет никаких оснований полагать, что ведущие в области органических нанотехноло-
гий страны будут оказывать поддержку своим менее развитым и удачливым конкурентам. Отметим, что большинство стран — лидеров в области органической электроники — страны с крайне ограниченными природными ресурсами. Производство и продажа продуктов в области органической электроники, которые являются по своей сути продуктами глубокой переработки углеводородного сырья, может быть эффективным путем развития этих стран. Россия весьма богата такими сырьевыми ресурсами, которые необходимы для производства проводящих полимеров. Поэтому объективная необходимость интенсивного развития полимерной электроники в России может рассматриваться как один из путей перехода от сырьевой к инновационной экономике.
Работы, проводимые в настоящее время в группе органической электроники (руководитель А. Н. Алешин, http://www.ioffe.ru/LNEPS/research/ organic.html) лаборатории А. Г. Забродского ФТИ им. А. Ф. Иоффе, лежат в русле современных тенденций в этой области и охватывают такие темы, как «Исследование механизма переключения цвета эмиссии электрическим полем в композитных пленках
полимер-неорганические наночастицы и разработка активных слоев на их основе для органических светодиодов» (поддержан РФФИ в 2007 г.), «Разработка ячеек памяти на основе сопряженных полимеров» (в рамках программы фундаментальных исследований президиума РАН «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» — подпрограмма «Полифункциональнальные материалы для молекулярной электроники». Координатор подпрограммы — академик С. М. Алдошин) и ряд других проектов. Сейчас у нас имеется четкое понимание научных приоритетов в этой области — то, что называется «видение проблемы». Однако прогресс в области органической электроники делает устаревшими результаты уже 3-4-летней давности, если не прикладывать новые сверхусилия в области эксперимента, что требует адекватного вложения финансовых средств. Поэтому автор полностью согласен с тезисом, озвученным лауреатом Нобелевской премии по химии Аланом Мак-Диамидом на Нобелевском симпозиуме в С.-Петербурге в 2003 году: «Научное видение без его финансовой поддержки — это всего лишь галлюцинация... »
