Новосибирские ученые создают органические полупроводники - для электроники XXI века

Совсем скоро в нашей реальности появятся тонкие и лёгкие планшеты, сворачивающиеся в трубочку, как бумажный лист, а подзарядить их можно будет от собственной кепки или куртки, поверхность которых станет представлять собой одновременно и солнечную батарею.

Учёные из Института химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского СО РАН занимаются разработкой и синтезом органических полупроводников на основе антратиофенов, перспективных для органической электроники.

Антратиофены - это полиароматические соединения, представляющие собой молекулы бензола, сцепленные с молекулами тиофена. Антратиофены в природе встречаются крайне редко, существует буквально несколько упоминаний в научных статьях о том, что их находили в составе некоторых растений. В основном это полностью синтетические продукты, и они представляют собой перспективные соединения для органической электроники - в частности их можно использовать как полупроводники.

"Мы привыкли, что вся органика - это диэлектрики. Возьмём обычный провод. Его основная медная или алюминиевая часть покрыта полимером - он служит изолятором. Однако современная химия позволяет синтезировать такие органические вещества, которые сами могут быть проводниками или полупроводниками", - рассказывает научный сотрудник Института химической кинетики и горения СО РАН, кандидат химических наук Денис Баранов .

Неорганические полупроводники отличаются от органических, как стеклянная бутылка от пластиковой. Стекло можно разбить, а пластик прочнее, легче, практичнее. К тому же его довольно просто получать из доступных материалов.

"Представляете, что ваш телефон можно будет спокойно согнуть в трубочку? А теперь представьте его в 10 раз легче, ещё тоньше, энергосберегающим. Это всё может дать и уже даёт органическая электроника. Нам известны батарейки, диоды, транзисторы на органической основе. Я видел пример устройств, которые можно растянуть, как резину. Это технологии уже даже не ближайшего будущего, а настоящего", - гоаорит учёный.

Есть ряд ограничений, которые не позволят полностью заместить неорганические полупроводники органическими. Во-первых, различаются сами фундаментальные характеристики материалов (так иногда стекло всё-таки предпочтительнее пластика). Во-вторых, сейчас органические материалы имеют проблемы с устойчивостью - большинство из них легко деградируют, разрушаются. Эта проблема ещё не решена. Для агрессивных сред — например, космоса - органическая электроника пока не подходит.

Антратиофены являются гетероаналогами пентацена - одного из наиболее известных органических полупроводников. Они имеют схожие с ним свойства, но при этом более устойчивы к деградации. При этом молекулу антратиофена можно модифицировать, то есть изменять нужным для тех или иных целей образом.

"Наша работа заключается в том, чтобы сделать новые вещества этого ряда, проверить их свойства и сравнить, как же структурные изменения эти свойства меняют. Станут ли антратиофены лучшими проводниками, будут ли ещё более устойчивыми, получится ли сделать их растворимыми? Последнее необходимо, чтобы органическую электронику можно было печатать на 3D принтере", - говорит Денис Баранов.

К синтезу антратиофенов лаборатория пришла отчасти случайно. "Раньше я занимался химией ацетиленовых производных антрахинона, - рассказывает Денис Баранов. - У нас был блок исследований, посвященных ряду реакций, позволяющих из этих веществ получать в том числе и антратиофены. Это было чисто фундаментальное исследование, мы изучали саму реакцию, потому что до нас таким образом антратиофены никто не получал. А потом мы увидели, что к этим продуктам имеется очень большой прикладной интерес. Через определённое время нам пришла мысль развивать свою химию в приложении к органической электронике. Теперь мы пытаемся использовать нашу реакцию в синтезе уже перспективных с этой точки зрения материалов".

Имея ввиду пока ещё гипотетическое производство, учёные стараются применять для получения антратиофенов весьма доступные материалы и исключить использование дорогостоящих реактивов. Исходные соединения, такие как антрахинон, производное антрацена, вообще можно получать из угля, в котором у России недостатка нет.

На сегодняшний день органическая электроника - отрасль молодая, сложная и требует квалифицированных специалистов (химиков, физиков, "органических" электронщиков) и очень много дорогостоящих приборов.

В Новосибирске ею занимаются только лаборатория Института химической кинетики и горения СО РАН и группа под руководством кандидата химических наук Евгения Мостовича в Новосибирском институте органической химии имени Н. Н. Ворожцова СО РАН, также создаётся коллектив в Новосибирском государственном университете. Несмотря на то, что направление поддерживается различными грантами, пока чувствуется нехватка специалистов и оборудования. Гораздо быстрее и эффективнее органическая электроника сейчас развивается за рубежом.

"Перегнать сразу по всему фронту исследований нам уже не удастся, но в некоторых направлениях мы сильны, и их можно развивать, - говорит Денис Баранов. - Эта химия сложная и специфическая, существует очень мало методов, позволяющих работать с такими соединениями. А мы научились это делать, у нас получается, и мы хотим двигаться дальше и разработать блок подходов, который позволял бы нам получать похожие вещества с различными заместителями. Здесь мы можем занять свою нишу".

Диана Хомякова .

Фото предоставлено Денисом Барановым .