В свете ультрафиолетовой лампы (ее используют для проверки подлинности дензнаков) тонкие прутки из полимера светятся разными цветами — выглядит очень красиво. Сделали их, конечно, не забавы ради — они применяются в физике высоких энергий, таможенных порталах, медицине. А вот тонкая фольга, похожая на ту, в которую заворачивают конфеты, только не серебряная, а коричневая. На самом деле это полимерный полупроводник. Удивительно, но оба эти материала — так называемые сопряженные полимеры, они широко используются в органической электронике — бурно развивающемся направлении современной науки и техники. Ученые совместили, казалось бы, несовместимое: органику и электронику. Выходит, есть как бы “живая” электроника?! Как им это удалось, каковы перспективы удивительных материалов? С этими вопросами “Поиск” обратился к заведующему лабораторией Института синтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова РАН члену-корреспонденту РАН Сергею ПОНОМАРЕНКО.
— Химики еще в XIX веке доказали, — рассказывает Сергей Анатольевич, — что органика не обязательно связана только с живой материей. Ее можно синтезировать и из неживого: скажем, из угля и воды в результате последовательности химических реакций получаются органические соединения. Все привыкли, что органические, в том числе полимерные, вещества — это диэлектрики (изоляторы), которые не проводят электрический ток. В то же время из таких легких элементов, как углерод, водород, кислород, азот, сера, можно создать вещества, по своим свойствам (проводимости, взаимодействию со светом) являющиеся полупроводниками или даже проводниками. Этими же качествами обладают и так называемые сопряженные органические полимеры, которые мы вам показали. Такой полимер похож на медную фольгу не только внешне, но и “внутренне” — по своим электрическим свойствам. Эту особенность используют при создании новой органической электроники — легкой, гибкой, прозрачной, правда, пока не очень эффективной. Сегодня из нее не сделаешь процессор для компьютера, хотя вполне вероятно, что именно из подобных молекул и будут состоять процессоры будущего.
Открыли полимерные проводники в 70-х годах XX века, как это нередко бывает, случайно: при полимеризации ацетилена аспирант по ошибке взял в 1000 раз больше катализатора, чем это требовалось по методике, и неожиданно получил полимерную пленку с металлическим блеском. Дальнейшие исследования показали, что если полиацетилен, полученный обычным методом, поместить в пары йода, то его проводимость возрастает в миллион раз и достигает проводимости металлов. Возможно, это открытие не привлекло бы к себе такого большого внимания, если бы трое ученых — два американца Алан Хигер (Alan Heeger), Алан МакДиармид (Alan MacDiarmid) и японец Хидеки Сиракава (Hideki Shirakawa) — не удостоились в 2000 году Нобелевской премии по химии. С тех пор создание органических полимеров с металлической проводимостью стало одной из наиболее перспективных областей науки и техники. В нашей стране она развивается не столь активно: в конце XX — начале XXI века, когда в мире шло становление органической электроники, отечественной науке пришлось нелегко — нужно было, прежде всего, выживать, и до развития новых направлений дело не доходило.
Я занялся синтезом органических полупроводников, пожалуй, лишь потому, что, окончив аспирантуру на химфаке МГУ, в качестве постдока поехал работать в Германию. А когда вернулся через два года, продолжил исследования в нашем институте. С тех пор, примерно за 10 лет, наша лаборатория разработала ряд новых органических полупроводников, которые могут найти применение в самых разных устройствах органической электроники. Наиболее интересные из них, на наш взгляд, самоорганизующиеся монослойные органические полупроводники. Они состоят из молекул с особыми свойствами, которые образуют кристаллический монослой органического полупроводника в результате реакции с любой поверхностью, содержащей гидроксильные группы. На их основе мы научились получать материалы в виде пленки толщиной всего в 3 нанометра. Она заменяет традиционные органические полупроводники толщиной в десятки раз больше. А чтобы их получить, не требуется особых усилий, поскольку, как следует из названия, они “собираются сами”. Об уникальных свойствах этого материала мы с коллегами из Германии, Австрии и Голландии написали серию статей, опубликованных в журналах “Nature” (2008), “Nature Nanotechnologies” (2009), “Nano Letters” (2010), “Organometallics” (2010), “Journal of Physical Chemistry” (2011), “Langmuir” (2012) и “Applied Physics Letters” (2013). Созданные по этому принципу наитончайшие органические полупроводники более экономичны, чем традиционные, и более эффективны, чем их аналоги, полученные в других лабораториях мира. На их основе будут делать полевые транзисторы, микросхемы и даже сенсорные устройства нового поколения.
Органические полупроводники можно “научить” поглощать свет в заданном спектральном диапазоне (например, в области максимальной яркости солнца), а потому их можно применять в солнечных батареях. В перспективе они станут намного легче и дешевле используемых в настоящее время кремниевых солнечных батарей, а их КПД значительно выше, особенно в пасмурные дни, которых у нас, в центральной части России, существенно больше, чем солнечных. Эти материалы — легкие, гибкие, прочные в отличие от обычных изделий электроники “держат удар” — не разбиваются, падая на пол. Они настолько тонкие, что их можно будет печатать на специальных принтерах или даже машинах рулонами, как газеты. На таком рулоне не составит труда разместить органические светодиоды и, как обои, наклеивать на стены — не в виде точечных осветительных элементов, используемых сегодня (ламп накаливания, флуоресцентных ламп или даже неорганических светодиодов), а как единое светящееся “полотно”. Дизайнеров, я думаю, это бы очень заинтересовало. Из подобной пленки со временем начнут делать дисплеи, экраны телефонов, они найдут применение во всевозможных бытовых электронных устройствах. Пока это картинки из будущего, но вполне реальные.
— Как создаются такие суперсовременные материалы?
— Органическая электроника находится на стыке нескольких наук: химии, физики, нанотехнологии, электроники. Наши разработки основаны на фундаментальных исследованиях, в первую очередь в области физики и химии. Мы изучаем свойства самых разных органических веществ на молекулярном уровне, затем синтезируем наиболее перспективные из них и используем в различных устройствах органической электроники, среди которых элементарные — это органические полевые транзисторы, светодиоды и фотовольтаические устройства (солнечные батареи). Только по мере накопления фундаментальных знаний о связи свойств веществ с их химической структурой можно перейти к практическому решению задачи получения высокоэффективных органических полупроводников.
— Есть ли спрос на ваши разработки?
— В принципе, крупнейшие отечественные электронные фирмы знают о наших материалах и интересуются ими. Но, я бы сказал, в теории, до практики дело, к сожалению, не доходит — на сегодняшний день в поле их внимания только отработанные технологии, а вкладывать деньги в разработку они все еще не готовы. С западными фирмами сотрудничать легче: они понимают, что мы способны продвигаться вперед лишь по мере накопления фундаментальных знаний, что для создания прорывных технологий нужно время — не год, не два, а намного больше. Уже около 10 лет мы сотрудничаем с одной немецкой фирмой — и только сейчас подходим к получению продукта, который может заинтересовать рынок. Но это не значит, конечно, что нам ничего другого не остается, как сидеть сложа руки: мы развиваем те направления, которые уже сегодня могут представлять интерес для отечественного бизнеса. В первую очередь, это наши наработки в области фотоники — полимеры, в которые введены созданные нами высокоэффективные люминофоры (те светящиеся прутки, которые я вам показывал). Их можно применить, например, для радиационного контроля (специальные порталы можно увидеть в аэропортах), в медицинских томографах, при изучении космических лучей, поиске “темной материи”. Пока фирмы испытывают наши материалы, об освоении этой технологии говорить еще рано. В общем, мы стараемся использовать все возможности для внедрения наших материалов, и прежде всего в России.
Для продвижения на рынок своих разработок, поиска заказчиков и инвесторов при институте (на основании ФЗ №217) организовано малое инновационное предприятие. Помогли нам в этом Центр трансфера технологий РАН и РОСНАНО, проведя основательный мониторинг наших проектов. Сегодня в фирме работают 10 человек — в основном менеджеры и научные сотрудники. Она является резидентом “Сколково”, получает финансирование от инвесторов и от Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
— На каком уровне находятся ваши разработки?
— Материалы все разные, в каких-то областях мы идем наравне с зарубежными коллегами, в чем-то их обогнали. Прежде всего, в органической монослойной электронике — здесь мы в числе лидеров. И еще одно направление — органическая фотоника на основе кремнийорганических люминофоров. Сейчас как раз мы готовим большую статью об этом.
— Приглашают ли иностранные фирмы ваших сотрудников?
— Да, мои сотрудники и аспиранты получали такие предложения, но не уехал ни один. И, как мне кажется, никто не прогадал. Сегодня в России молодых ученых действительно поддерживают: есть гранты РФФИ, программы Минобрнауки, гранты президента. Молодые сотрудники используют свое право на служебные квартиры РАН, получают сертификаты на покупку жилья и ипотеку. Мы закупаем современное научное оборудование. Правда, денег на все, что хотелось бы приобрести, не хватает, но выручает сотрудничество с другими ведущими научными группами как в России, так и за рубежом, прежде всего в Европе.
— А что в перспективе, куда думаете двигаться дальше?
— У нас есть ряд новых проектов, в том числе связанных с фундаментальными исследованиями. В частности, недавно мы начали разработку более совершенных детекторов для поиска космических лучей. Для этого сотрудничаем с учеными из Института ядерных исследований РАН — на его байкальском полигоне в детекторы помещают наши люминофоры, что делает измерения более эффективными. Ведем поиск молекул с интересующими нас свойствами, выявляем закономерности между их химической структурой и, например, оптическими характеристиками, что позволит создавать новые материалы для органической фотоники. Есть и чисто прикладные проекты из области органической электроники, которые мы проводим по заказам ведущих иностранных фирм, заинтересованных в таких разработках. На всё возможностей нашей лаборатории не хватает, и мы часто привлекаем к сотрудничеству другие институты РАН, а также МГУ. Поэтому нередко соавторами наших статей бывают 10-15 ученых из 4-5 разных организаций, а зачастую и разных стран.
В прошлом учебном году я разработал и начал читать спецкурс по органической электронике в МГУ для студентов НОЦ по нанотехнологиям и физического факультета. Курс не обязательный, а по выбору, но студенты на него идут. А раз это направление интересует молодежь, значит, у него есть перспектива.
Юрий Дризе
Фото предоставлено С.Пономаренко
Нет комментариев