Elastyczna elektronika

Cienkie jak papier, zwijane w rulon wyświetlacze i inne równie futurystyczne urządzenia nie powstaną bez elektroniki organicznej. Konstruowanie giętkich układów elektronicznych wymaga jednak wiedzy o właściwościach polimerów i warunkach, w jakich zachodzi ich samoorganizacja. Grupie naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, we współpracy z pracownikami Politechniki Warszawskiej i Komisariatu d/s Energetyki Atomowej w Grenoble, udało się ustalić, w jaki sposób można wytwarzać cienkie warstwy polimerów o wysokim stopniu uporządkowania – kluczowy element w procesie produkcji organicznych układów elektronicznych.

Materiały organiczne zmienią oblicze elektroniki. Urządzenia staną się nie tylko tańsze, cieńsze i lżejsze, ale także zyskają cechy niespotykane dotychczas. Wyświetlacze będzie można zwijać w rulon lub wytwarzać z przezroczystych elementów i nanosić bezpośrednio na szyby, np. w samochodach. Zanim elastyczna elektronika zdobędzie masowy rynek, należy jednak poznać zasady rządzące powstawaniem cienkich warstw półprzewodników organicznych. Grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (pod kierunkiem prof. ndzw. Roberta Nowakowskiego) oraz Politechniki Warszawskiej (prof. Małgorzata Zagórska) i Komisariatu d/s Energetyki Atomowej w Grenoble (prof. Adam Proń) dokonała istotnego postępu. – Zbadaliśmy, jak w warstwach zmienia się organizacja cząsteczek w zależności od ich długości. Dzięki temu rozumiemy, dlaczego krótsze cząsteczki łączą się w uporządkowane struktury dwuwymiarowe, a bardzo długie cząsteczki tworzą chaotyczne agregacje. Ten ostatni, niekorzystny efekt potrafimy teraz skutecznie eliminować – mówi prof. Robert Nowakowski z Grupy Badawczej Mikroskopii i Spektroskopii Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN).

Cząsteczki organiczne mogą przewodzić prąd równie dobrze, jak metale. W metalach chmura elektronów może się jednak poruszać w dowolnym kierunku, podczas gdy nośniki prądu w cząsteczkach organicznych przemieszczają się wzdłuż tzw. sprzężonych wiązań podwójnych. Fakt ten oznacza dużą ruchliwość nośników tylko w jednym kierunku: wzdłuż osi podłużnej cząsteczki. W tej sytuacji poprawę przewodności można otrzymać przez wydłużanie cząsteczek, czyli użycie związków wielkocząsteczkowych – polimerów. Rozwiązanie to ma jednak wadę. Polimery wielkocząsteczkowe znacznie trudniej tworzą uporządkowane warstwy. W rezultacie często układają się przypadkowo, co prowadzi do chaotycznego przemieszczania się nośników prądu (nośnik po przejściu przez długą, zwiniętą w kłębek makrocząsteczkę może się znaleźć niemal w tym samym miejscu warstwy, w którym zaczynał wędrówkę). Rezultatem chaotycznej struktury jest mała ruchliwość nośników prądu.

Opisany problem można rozwiązać za pomocą cząsteczek wydłużonych, lecz dostatecznie krótkich, aby wykazywały naturalną skłonność do samoporządkowania, czyli oligomerów. W wyniku wzajemnych oddziaływań takie cząsteczki ustawiają się równolegle do siebie i tworzą rzędy.

Obecnie przyjmuje się, że w przyszłości organiczne układy elektroniczne będą zbudowane z uporządkowanych warstw cząsteczek gwarantujących dużą ruchliwość nośników prądu w kierunku określonym dla danego urządzenia. Optymalizacja struktury warstw polimerowych polega na znalezieniu kompromisu między długością łańcucha oligomeru a jego zdolnością do samoorganizacji. – Chemicy z Politechniki Warszawskiej przygotowali nam nowe polimery i oligomery, pochodne tiofenu. Badania strukturalne i mikroskopowe cienkich warstw tych związków wykazały jednak, że są one nieuporządkowane. Podejrzewaliśmy, że nieuporządkowanie to wynika z polidyspersyjności, czyli współistnienia cząsteczek o różnej długości. Zjawisko to występuje prawie we wszystkich polimerach syntetycznych – tłumaczy prof. Nowakowski. Aby sprawdzić to przypuszczenie, naukowcy z IChF PAN opracowali unikatową metodę rozdziału mieszaniny po polimeryzacji na frakcje cząsteczek o tej samej długości. Wykorzystano w tym celu wysokosprawną chromatografię cieczową i cienkowarstwową. Z tak otrzymanych frakcji wytwarzano następnie na podkładzie grafitowym warstwy grubości jednej cząsteczki i badano je skaningowym mikroskopem tunelowym.

Przypuszczenie dotyczące polidyspersyjności okazało się słuszne. Uporządkowanie cząsteczek jest związane z obecnością długich i giętkich grup alkilowych, wprowadzonych do cząsteczki aby zwiększyć jej rozpuszczalność. Najkrótsze cząsteczki tworzą w warstwie dwuwymiarowe struktury wskutek wzajemnego oddziaływania (zazębiania się) grup alkilowych sąsiednich cząsteczek w dwóch prostopadłych kierunkach. Wydłużenie cząsteczki zwiększa liczbę grup alkilowych oddziałujących jedynie w kierunku prostopadłym do jej osi i prowadzi do asymetrii oddziaływań międzycząsteczkowych. Rezultatem jest zmiana typu uporządkowania z dwuwymiarowych wysp obserwowanych dla krótszych oligomerów do jednowymiarowych kolumn tworzonych przez dłuższe oligomery. – Przyczyną chaosu w warstwach okazał się fakt, że wytwarza się je z mieszaniny makrocząsteczek o różnych długościach, z których każda dąży do innego typu uporządkowania – mówi doktorant Tomasz Jaroch z IChF PAN.

Uporządkowanie cząsteczek w warstwie jest konsekwencją ich budowy. Nawet niewielka zmiana w budowie meru (jednostki powtarzalnej, która powielana tworzy łańcuch polimeru lub oligomeru) może wpłynąć na przebieg samoorganizacji. W grupie prof. Małgorzaty Zagórskiej z Politechniki Warszawskiej zsyntetyzowano oligomery z grupami alkilowymi przy innych atomach węgla pierścienia tiofenowego niż w związku badanym pierwotnie. Zmiana powoduje zmniejszenie odległości między grupami alkilowymi w obrębie meru i w konsekwencji zmianę oddziaływań międzycząsteczkowych w warstwie. W tak zsyntetyzowanych związkach nie zaobserwowano niekorzystnych efektów w samoorganizacji: cząsteczki różnej długości tworzyły uporządkowane dwuwymiarowe wyspy. Otrzymane uporządkowanie charakteryzuje się korzystnymi właściwościami półprzewodnikowymi, ponieważ rdzenie oddziałujące bezpośrednio wzdłuż osi podłużnej gwarantują zwiększenie efektywnej ruchliwości nośników ładunku. Naukowcy z IChF PAN potwierdzili eksperymentalnie brak zazębiania grup alkilowych w tym kierunku, demostrując na obrazach mikroskopowych, że możliwe jest przesunięcie pojedynczego oligomeru wewnątrz warstwy. Zazębianie się grup alkilowych wzdłuż osi cząsteczki uniemożliwiłoby taką operację.

Wyniki badań mają istotne znaczenie praktyczne, ponieważ pozwalają przewidywać zachowanie oligomerów i polimerów w warstwach, a tym samym otwierają drogę do wytwarzania warstw uporządkowanych, gwarantujących lepszą ruchliwość nośników ładunku w urządzeniach elektroniki organicznej.

Źródło IChF PAN