Органическая электроника: вчера, сегодня, завтра

Органическая электроникаМолекулярный реверс не выдумывал никто, он сам случился. Чем плотней укладывали инженеры BIC макро­молекулы в мозгу киборгов, чем компактнее записывали информацию не только на нитях молекул, но и за счет их трехмерного соотношения, тем выше были шансы у реверса. Открыли его тоже случайно, как и создали, — просто однажды обнаружилось, что неповрежденный кибермозг в покоящемся, но неотключенном состоянии восстанавливает прежнее расположение молекул.

Александр и Людмила Белаш. Война кукол.

Основания для оптимизма

Химия — наука разветвленная, она тесно переплетается, на­верное, со всеми другими. И принято считать, что в наиболь­шей степени — с биологией и медициной. Однако появилось одно несколько неожиданное направление, где химия играет определяющую роль. Это электроника на основе органиче­ских материалов, или просто «органическая электроника». Она использует органические малые и полимерные молеку­лы, а также дендримеры — разветвленные макромолекулы с регулярной симметричной структурой, с обобщенной -электронной системой.

Все видят и знают, как бурное развитие полупроводни­ковой электроники на основе неорганических материалов за последние пятьдесят лет преобразовало жизнь людей. Компьютеры и другие многочисленные электронные устрой­ства проникли во все сферы деятельности. Возможности электроники растут, а размеры устройств уменьшаются. В 1965 году, на заре компьютерной эры, директор одного из отделов исследовательской компании «Fairchild Semiconduc­tors» Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхеме будет удваиваться каждые год-два. Долгое время этот эмпирический «закон Мура» выполнялся, и лишь в последние годы начал вырисовываться физический предел размера элементов схем.

Один из путей решения этой проблемы — электроника на основе отдельных органических молекул. Идея использова­ния отдельных молекул в качестве активных элементов элек­троники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. С одной стороны, поведение молекул весьма сложно и разнообразно, отчего бы им не вести себя, как элементы электроники? С другой стороны, молекула — естественный предел миниа­тюризации. И многочисленные исследования электрических свойств различных органических материалов открывают путь к новой электронике — предсказание Фейнмана начинает сбываться. Первый шаг сделал в 1974 году Иоахим Ратнер, который наблюдал эффект выпрямления тока, протекающего через молекулу. И новое направление начало развиваться.

А уже в 1977 году Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидеки Ширакава с соавторами опубликовали знаменитую статью о проводящих свойствах полиацетилена, обработанного па­рами галогенов. Эти трое ученых получили Нобелевскую премию по химии 2000 года «за открытие и исследования электропроводящих полимеров».

Сложных органических молекул очень много, их свойства — химические и электронные — весьма разнообразны. Можно синтезировать миллионы различных молекул, заменяя в них отдельные блоки, как в детском конструкторе, и создавать таким образом большие (полимеры и дендримеры) и малые молекулы, тонко дифференцируя их функции. Многие моле­кулы можно легко растворять в химических растворителях и этим раствором, как чернилами, печатать схемы на принтерах. Уже это одно создает колоссальные технологиче­ские и экономические преимущества. Дешевизна материалов и производства открывает перед органической электроникой новые области применения.

Типичные же недостатки органических материалов — дрейф параметров и низкая подвижность зарядов. Поэтому про ор­ганические СВЧ -транзисторы не заикаются даже фантасты… впрочем, и без них — непочатый край работы и множество применений. Стабильность материалов в результате поисков увеличивается, хорошие результаты дает также сочетание достоинств органических и неорганических материалов в органо-неорганических нанокомпозитах. С другой стороны, многие электронные устройства в настоящее время быстро устаревают морально и поэтому требуют значительно меньше часов наработки.

Что уже внедрено

Сегодня органическая электроника — одно из самых новых и перспективных направлений в электронике в зоне кон­такта (иногда говорят «на стыке», но как раз «стыка» быть не должно) физики твердого тела, молекулярной физики и органической химии. Она ставит своей целью перевод электронных устройств на новую элементную базу. В этой огромной области работают почти все ведущие научные центры и многочисленные большие и малые фирмы во всех развитых и многих развивающихся странах мира.

Структурные формулы1
Структурные формулы примеров молекулярных устройств: проводника (I), диода (II), транзистора (III), переключателя на основе ротаксана (IV), электролюминесцентной молекулы (V), мотора (VI), магнита (VII). Пример проводника — обыкновенная линейная молекула кватерфенила. Тиольные группы на концах позволяют химически присоединиться к электродам из золота или серебра, на которые подается электрический потенциал. А подобная молекула, содержащая специальные группы, которые делают молекулу несимметричной, — это уже диод или транзистор. Управление в транзисторе производится внешним электрическим полем либо через специальные боковые группы. Донорные и акцепторные группы в моторе по-разному взаимодействуют с внешним электрическим полем, в результате происходит вращение вокруг оси молекулы. Пример молекулярного магнита — высокоспиновый полирадикал

Электронные устройства на основе ансамблей органиче­ских молекул разрабатываются и исследуются последние годы очень широко. Созданные устройства легко интегри­руются в обычную электронику, результат быстро выходит на рынок. Лучший пример — органические электролюминесцентные диоды. В них происходит рекомбинационная люминесценция электронов и дырок, образующихся при инжекции с электродов. Весьма вероятно, что такой диод есть у вас в кармане — это дисплей сотового телефона и цифрового фотоаппарата. Уже начат промышленный выпуск мониторов, телевизоров и других устройств отображения информации на таких диодах, которые уверенно вытесняют жидкокристаллические (кстати, рабочий элемент в них — органические жидкие кристаллы). Эффективность лучших электролюминесцентных устройств перевалила через от­метку 20%, это больше, чем у люминесцентных ламп. Срок их службы достигает 20—50 тысяч часов, что дает возможность использовать их для освещения; дополнительные преимуще­ства — отсутствие ртути и мгновенность включения. Поэтому очень быстрыми темпами идет разработка различного рода осветительных устройств, и возможно, что люминесцентные лампы уступят место под солнцем именно им. Кстати…

Место под солнцем

Другое важное направление органической электроники, кото­рое входит в фазу коммерциализации, — солнечные элементы. В наиболее часто встречающемся типе солнечных элементов действующее вещество — смесь полимеров, которые по­глощают солнечное излучение и выделяют электроны. Их «собирают» фуллерены или другие соединения, и затем они поступают во внешнюю цепь. Эффективность лучших лабора­торных образцов таких элементов — 8% (у «тандемных» эле­ментов, состоящих из двух частей, которые поглощают свет в коротковолновой и длинноволновой областях спектра, — 11%), это меньше, чем у неорганических элементов, но дешевизна органических конкурентов делает их производство выгодным даже при эффективности 3%. Органические материалы при­меняются и в так называемых сенсибилизированных солнеч­ных элементах, эффективность которых также достигла 11%. Такие солнечные элементы состоят из нанокристаллов оксида титана, покрытых светопоглощающими молекулами органиче­ского красителя и погруженных в раствор электролита. Свет, попадающий на краситель, высвобождает электроны и создает «дырки» — области положительного заряда. А полупроводящие частицы оксида захватывают и переводят их во внешнюю цепь, создавая электрический ток.

А еще органические солнечные элементы можно будет даже встроить в одежду.

Гладко будет на этой бумаге

Еще одно простое и перспективное устройство, имеющее мно­жество применений, — электронная бумага. Это технология отображения информации, основанная на электрофорезе и разработанная для имитации обычной печати на бумаге. Благодаря работе в отраженном свете электронная бумага потребляет мало энергии, она тонкая и не требует подсвет­ки. Созданное на экране изображение может сохраняться долго — до нескольких недель, не требуя при этом каких-ли­бо затрат энергии. Такая бумага представляет собой тонкую жидкую пленку из электрохромного материала — электронных чернил, расположенную между двумя электродами, один из которых прозрачный. Электронные чернила — это прозрачный жидкий гель, который содержит микрокапсулы, наполненные белыми и черными микрочастицами. Они заряжены и по­этому реагируют на полярность приложенного напряжения. Электронные книги позволят сберечь миллионы деревьев, используемых для производства обычной бумаги. Таков клас­сический вариант электронной бумаги, но добавление в эту систему органической тонкопленочной системы управления сильно увеличило ее возможности, сделав ее цветной.

И проводники, и полупроводники, и даже сверхпроводники

В ходе упорных поисков был найдено несколько новых органи­ческих электропроводных материалов и структур, что иногда очень удобно — прозрачных. Их можно разделить на четыре группы. Первая — проводящие олигомеры и полимеры: политиофен, полианилин и другие. Это длинные сопряженные молекулы, в которых электрон переносится по цепи п-связей. В так называемом высокопроводящем состоянии многие си­стемы на основе органических молекул такого типа могут про­пускать ток с плотностью свыше 106 А/см2, что соответствует металлической проводимости. Ко второй группе относятся донорно-акцепторные органические проводники различной природы с проводимостью порядка 102—103 1/Омм — ко­нечно, не «металл», но для многих применений достаточно. Однако при низких температурах некоторые из них являются сверхпроводниками. Третья группа — углеродные материалы: фуллерены, нанотрубки, графен и полимерные нанокомпо­зиты на их основе. Напомним, что длина одностенных нано­трубок достигает микрометров при диаметре около 1 нм и на отрезках по 150 нм сохраняются металлические свойства, проводимость приближается к проводимости металлов.

Телевизор
осветительное устройство
солнечная батарея2
Телевизор (а), осветительное устройство (б), солнечная батарея (в), произведенные с использованием органических материалов

Наконец, четвертая группа — ионные проводники, то есть проводники, в которых ток переносят не электроны, а ионы.

Органические материалы ныне используются в диодах, транзисторах, гибких интегральных микросхемах, разраба­тываются радиочастотные метки, активно ведутся работы по созданию тонкопленочных полимерных быстро заряжаемых батарей с высокой емкостью, фото- и электрохромных окон. Из органического материала удалось изготовить магниты и даже создать первый электрический лазер на основе органического материала. Благодаря высокой чувствительности молекуляр­ных электронных устройств к свету их можно использовать для моделирования процесса фотосинтеза и разработки нового класса приемников изображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческого глаза.

Молекулярные устройства можно применять также в качестве селективных сенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсоры необходимы в эко­логии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекул значительно легче вживлять в организм человека, чтобы контролировать его состояние. Уже существуют мо­лекулярные сенсоры для поиска мельчайших следов взрыв­чатки. Органические молекулы служат основой для создания электромеханических устройств, в частности искусственных мышц. На основе молекулярных структур созданы молеку­лярные двигатели. Суперминиатюрная конструкция одного из них состоит из трех частей: иона металла и двух молекул порфирина. При определенной температуре ион притягивает с двух сторон молекулы, и под воздействием света и электри­ческого напряжения они начинают вращаться. Предложены также другие конструкции молекулярных двигателей, в кото­рых одна часть молекулы вращается относительно другой в электрическом поле. Таким образом, одиночные молекулы могут быть такими же устройствами, как и устройства на основе твердых тел, состоящих из этих молекул. Данное свойство вытекает из сравнения системы энергетических уровней одиночной молекулы и твердого тела. Несколько примеров молекул, используемых в качестве молекулярных устройств, представлено на рисунке 1.

Регулярно появляются сообщения о разработке новых и новых уникальных устройств. Однако человек всегда мечтает о новом компьютере — если не выше, то хоть быстрее и сильнее.

Почти живой компьютер

Многочисленные исследования с органическими молекулами направлены также на создание новых типов вычислительных и информационных устройств — молекулярных компьюте­ров, в которых рабочими элементами являются отдельные молекулы. Такие молекулярные компьютеры в принципе могут быть в миллиарды раз более производительными, чем существующие вычислительные устройства, основанные на кремниевых транзисторах, и их будет легче соединить с био­логическими объектами.

Компьютер состоит из компонентов трех главных типов — это переключатели (ключи, транзисторы), элементы памяти и проводники. Бистабильные молекулы, то есть молекулы, имеющие два (или более) термодинамически устойчивых состояния, могут стать элементной базой нового поколения компьютеров. Такие молекулы могут управляться светом, электрическим полем и химическими реакциями; у некоторых из них при переключении электронная конфигурация пере­страивается кардинально, а геометрия остается почти преж­ней. Для управления можно использовать также процессы цис-транс-изомеризации, перициклических превращений, переноса электрона и протона. Эффективные молекулярные переключатели основаны на фотохромных соединениях, ко­торые изомеризуются при переходе в высшие возбужденные электронные состояния. Пример — переключатель на основе ротаксана: молекулу ротаксана, имеющую форму кольца, уда­лось насадить на ось, линейную молекулу. Получен красивый и принципиально важный физический эффект: при наложении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется и она начинает пропускать ток. При снятии поля молекула рас­кручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние. Другой пример — переключатель на основе мо­лекулы катенана, которая состоит из двух циклов, продетых один сквозь другой подобно звеньям цепи. Цикл окисления- восстановления катенана можно совершать 10—20 тысяч раз без заметного разрушения супрамолекулярной системы.

Память молекулярного компьютера может быть основана на тех же принципах, что и переключатели, то есть на биста­бильных молекулах. Создание молекулярных устройств памяти является в настоящее время наиболее развитой областью. Причем в молекулярных компьютерах можно будет записывать оптическую информацию не только на поверхности активной среды, как это делается в настоящее время, но и в объеме, память станет трехмерной. Приводить конкретные данные в журнальной статье бесполезно, поскольку сообщения о новых достижениях появляются слишком часто и значения потенци­альной емкости уже превзошли данные для полупроводнико­вых устройств. Еще одно новое направление (так называемая спинтроника) основано на использовании спина электронов у магнитных органических молекул. За счет спин-орбитального взаимодействия магнитный момент может прецессировать, сохраняя определенное направление. Направление намаг­ниченности молекулы можно изменять, то есть записывать информацию, с помощью электрического поля. Информация, закодированная в спинах электронов, сохраняется и после вы­ключения устройства; для ее обработки не требуются магнит­ные поля, а для ее записи достаточно мизерных затрат энергии.

Так что проблема уже состоит не в принципиальной реализуе­мости, а в создании устройства — «коробочки с разъемом». Для этого надо научиться соединять новое с классическим или… или сделать нечто целиком новое. Целиком органическое.

Как соединить

Соединять надо проводниками. Например, молекулярные проводники должны обеспечивать сообщение между молеку­лярными транзисторами и молекулярными же устройствами памяти. Разрабатываются три типа молекулярных проводни­ков: электропроводные молекулярные и полимерные прово­локи, донорно-акцепторные комплексы, ионные молекулы. Можно для начала попробовать использовать обычные прово­дники, но стандартные технологии для работы с молекулами не годятся. В настоящее время разработано несколько реаль­ных способов присоединения одиночных молекул к системе неорганических проводников. Если же мы захотим создать чисто органическую систему, нужно использовать принцип молекулярного распознавания, ответственный за самосборку и самоорганизацию сложных ансамблей и агрегатов молекул.

Этот же принцип лежит в основе происхождения жизни, и именно его использует природа. Молекулы и атомы являются стандартными образованиями, молекулы одного сорта оди­наковы, поэтому в принципе можно получить очень хорошую воспроизводимость параметров элементов.

Самый сильный конкурент органической электроники по направлению роста вычислительных мощностей — квантовый компьютер. Сравнивать эти два направления более чем сложно, но одно различие налицо: до создания квантовых компьютеров, в которых управлению подлежат отдельные атомы, еще далеко, а управление на молекулярном уровне уже осуществлено.

Впереди — создание нейронных сетей, состоящих из нейро­нов и связывающих их синапсов. Создание средствами молеку­лярной электроники искусственных нейронов, различного типа сенсоров, включенных в единую сеть, откроет путь к реализации всех потенциальных возможностей, заложенных в нейрокомпьютерной идеологии, позволит создать принципиально новый тип информационно-вычислительных систем и подойти вплотную к решению проблемы создания искусственного интеллекта. Ориентация на возможности молекулярного мира не случайна, ведь именно природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Мозг человека и живот­ных — прямое доказательство перспективности органических молекул как материала, предоставленного самой природой!

Из этого далеко не полного обзора видно, что наступает новая технологическая революция в электронике: элемен­тарные устройства выходят на уровень молекул. Благодаря технологии, которая позволяет печатать электронику на обыч­ных носителях (например, на бумаге, пластмассе и ткани), используя практически любые стандартные процессы печати, она может стать сверхдешевой. Электроника на основе орга­нических молекул уже находит широкое применение в технике и быту. Согласно прогнозам аналитиков, рынок органической электроники увеличится с нескольких миллиардов долларов в настоящее время до 48 миллиардов долларов в 2017-м и порядка 300 миллиардов долларов в 2027 году.

Развитие нового подхода в электронике, основанного на ор­ганических материалах, требует решения ряда проблем в трех основных направлениях: разработка физических принципов функционирования электронных устройств (например, транс­порта зарядов); синтез новых молекул, способных хранить, пере­давать и преобразовывать информацию; разработка простых методов организации молекул в супрамолекулярный ансамбль или молекулярное электронное устройство, а также присоеди­нение их к макросистеме. Таким образом, в химии открылось новое направление как фундаментальных, так и прикладных исследований, с перспективой развития новых производств.

Кандидат физико-математических наук А. В. Кухто

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>