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, na przykład w samochodach. Zanim elastyczna elektronika zdobędzie masowy rynek, należy jednak poznać zasady rządzące powstawaniem cienkich warstw półprzewodników organicznych.
Istotnego postępu dokonała grupa naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, Politechniki Warszawskiej i Komisariatu do spraw Energetyki Atomowej w Grenoble. - 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.
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. Taka organizacja materiałów organicznych sprawia, że przepływ prądu jest ograniczony do ruchu tylko w jednym kierunku. Odpowiedzią może być użycie szczególnego rodzaju związków wielkocząsteczkowych – oligomerów – w których cząsteczki mają naturalną skłonność do samoporządkowania.
Badanie samoorganizacji w cienkich warstwach polimerów za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, źr. IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski.
Naukowcy uważają, że w przyszłości organiczne układy elektroniczne będą zbudowane z uporządkowanych warstw cząsteczek, które zagwarantują dużą ruchliwość nośników prądu. Sprawi to, że nawet w wygiętym urządzeniu elektronicznym prąd popłynie w określonym kierunku. - Chemicy z PW przygotowali nam nowe polimery i oligomery, pochodne tiofenu. Badania strukturalne i mikroskopowe cienkich warstw tych związków wykazały jednak, że są one nieuporządkowane - tłumaczy prof. Nowakowski. By dowiedzieć się dlaczego tak się dzieje, naukowcy z IChF PAN opracowali unikatową metodę rozdziału mieszaniny po polimeryzacji na frakcje cząsteczek o tej samej długości. Wykorzystano w tym celu chromatografię cieczową i cienkowarstwową. Z tak otrzymanych frakcji wytwarzano następnie na podkładzie grafitowym warstwy grubości jednej cząsteczki i badano je skaningowym mikroskopem tunelowym. - 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 Tomasz Jaroch z IChF PAN.
Uporządkowanie cząsteczek w warstwie jest konsekwencją ich budowy. Nawet niewielka zmiana w budowie meru (elementu, który powielany tworzy łańcuch polimeru lub oligomeru) może wpłynąć na przebieg samoorganizacji. Naukowcy zsyntetyzowali więc badany związek w nieco inny sposób. Zmniejszenie odległości między grupami węglowodorów zmieniło oddziaływania międzycząsteczkowe. W tak zsyntetyzowanych związkach nie zaobserwowano niekorzystnych efektów w samoorganizacji: cząsteczki różnej długości tworzyły uporządkowane dwuwymiarowe wyspy. Naukowcy z IChF PAN potwierdzili też eksperymentalnie, że możliwe jest przesunięcie pojedynczego oligomeru wewnątrz całej warstwy.
Wyniki badań mają istotne znaczenie praktyczne, ponieważ pozwalają przewidywać zachowanie oligomerów i polimerów ułożonych w warstwach. Polakom udało się stworzyć związek, w którym uporządkowane cząsteczki mają bardzo korzystne właściwości półprzewodnikowe. Droga do wytwarzania elektroniki organicznej stoi przed nami otworem.
Pg, mat. IChF PAN
