Органические полупроводники – это что? В чем заключаются их достоинства? Какие отечественные разработки существуют в этой области? Могут ли они похвастаться уникальностью? Почему дирижабли снова привлекают внимание и какое отношение к этому имеет химия? Ответы на эти вопросы дает Сергей Пономаренко, директор Института синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАН, член-корреспондент РАН.
— Уже 20 лет вы занимаетесь органическими полупроводниками…
— В 2001 году я вместе с коллегами начал исследования в области органических полупроводников, то есть уже более двадцати лет назад. В 2011 году в ИСПМ РАН была организована лаборатория функциональных материалов для органической электроники и фотоники, которая в 2022 году трансформировалась в отдел органической электроники. Сейчас в отделе четыре лаборатории, три из которых возглавляют мои ученики, уже получившие степень доктора наук. Лабораторию по материалам возглавляет Олег Валентинович Борщев. Также была создана лаборатория молекулярных сенсорных систем, занимающуюся разработкой сенсоров на основе органических полупроводников, руководителем которой является Елена Валериевна Агина. Третью лабораторию, посвященную полимерным солнечным батареям, возглавляет Юрий Николаевич Лупоносов.
Недавно была создана четвертая лаборатория. В рамках программы Минобрнауки, направленной на открытие новых молодежных лабораторий, была организована молодежная Лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников под руководством кандидата физико-математических наук Андрея Юрьевича Сосорева. Она занимается еще одним направлением в области органической электроники — органическими светоизлучающими диодами (OLED).
— Расскажите подробнее, что это такое.
— OLED (или органические светоизлучающие диоды) – это технология, применяемая в современных дисплеях. Ранее для экранов смартфонов и телевизоров использовались жидкокристаллические панели, но теперь на смену им пришла технология, основанная на органических светоизлучающих диодах. В чем заключаются различия? Жидкокристаллические дисплеи – это пассивная технология, поскольку они пропускают свет, а OLED-экраны излучают свет самостоятельно благодаря явлению электролюминесценции. Это происходит за счет наличия органических полупроводников, которые способны генерировать свет под воздействием электрического тока. Создается определенная структура, отвечающая за воспроизведение синего, зеленого и красного цветов, из которых формируется матрица и, в конечном итоге, изображение.
— Что подразумевается под термином «органические полупроводники»? Почему они получили такое название?
— Мы привыкли рассматривать полупроводники как кремний или другие неорганические вещества. Органические материалы ранее применялись исключительно в качестве диэлектриков. Органические материалы — это те, которые могут состоять из углерода, водорода, кислорода, азота и серы . Обычно эти материалы обладают диэлектрическими свойствами. Однако выяснилось, что существуют и другие системы, известные как пи-сопряженные, которые демонстрируют полупроводниковые характеристики или способны проводить электричество. За это достижение в 2000 году Нобелевскую премию получили Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава. Хотя некоторые из них – физики, премию они получили по химии «за открытие и разработку проводящих полимеров». С тех пор это направление получило значительное развитие. Когда Нобелевскую премию присуждают за какое-либо открытие, оно, с одной стороны, уже стимулировало развитие нового направления, а с другой – вызывает повышенный интерес, что, как правило, ускоряет его дальнейшее развитие. Я начал работать в этой области в 2001 году, и с тех пор интерес к ней не только не угасает, но и постоянно растет, открывая все новые возможности применения.
— А какие еще применения у «органики»??
— Органические солнечные батареи, органические полевые транзисторы, а также хемо- и биосенсоры, созданные на их основе, представляют собой перспективное направление в электронике. Одним из ключевых отличий органических полупроводников от кремниевых является их меньший вес и большая тонкость. Так, в органических хемосенсорах для создания активного слоя используют нанослой органического полупроводника толщиной всего 3 нанометра. Это позволяет создавать устройства органической электроники, обладающие гибкостью, полупрозрачностью или даже полной прозрачностью. На их основе возможно создание светящихся экранов, устройств отображения информации и других конструкций, подобных тем, что демонстрируются в фильме «Аватар». Все эти технологии реализуются благодаря применению органических полупроводников. Кроме того, они широко используются в биоэлектронике, например, в качестве сенсоров для определения биологических молекул, где достигнута исключительная чувствительность – до обнаружения одной молекулы в пробе. Из некоторых органических проводников изготавливают имплантаты, предназначенные для восстановления нервных импульсов, поскольку обычные проводники и полупроводники часто отторгаются организмом из-за различий в механических свойствах и потенциальному образованию ионов металлов, что представляет угрозу для здоровья. Органические полупроводники, в свою очередь, более близки к биологическим тканям по механическим, химическим и физическим свойствам. Благодаря этому организм воспринимает их без отторжения.
Устройства органической электроники могут быть гибкими, полупрозрачными или даже полностью прозрачными!
— Такие имплантаты уже где-то делают?
— Существуют публикации, посвященные этой теме. Наибольший вклад в развитие органической биоэлектроники, основанной на проводящем полимере поли-3,4-этилендиокситиофене, внесли итальянские ученые.
— А в нашей стране?
— В отечественной химической промышленности существуют значительные трудности, однако мы совместно с коллегами работаем над их преодолением. В последние годы активно реализуется политика импортозамещения, поскольку стране необходимы органические полупроводники и люминофоры. Ранее отдельные технологии органической электроники закупались за рубежом, но теперь поставки необходимых материалов прекращены. В настоящее время мы успешно решаем эти вопросы и разрабатываем новые решения.
— И что же придумали нового?
— Существует огромное разнообразие молекул, что открывает широкие возможности для разработки новых материалов, и у нас уже синтезировано немало перспективных соединений. Если говорить о биоэлектронике, обратите внимание на постер на стене: на нем представлены органические полупроводники, которые мы использовали в качестве прототипа имплантатов для глаза. Их поглощение спектрально соответствует чувствительности палочек и колбочек — фоторецепторов, отвечающих за цветное зрение. Оказалось, что аналоги этих материалов также можно создать из органических полупроводников. Итальянские ученые первыми реализовали это, используя стандартный органический полупроводник, применяемый в органической фотовольтаике — поли-3-гекситиофене. Фотоэлемент на его основе был встроен в глаз, и он оказался способен функционировать вместо фоторецепторов. Существуют глазные заболевания, такие как ретинит и дегенерация сетчатки, когда пигменты разрушаются и теряют фоточувствительность, но нервные клетки остаются жизнеспособными. Пленочную или наночастичную форму органического полупроводника можно имплантировать или просто ввести через шприц в клетки глаза — для проведения экспериментов используются специальные линии слепых с рождения крыс. И они начинают воспринимать свет. В нашем случае это не готовое лекарственное средство, а направление исследований, которое может привести к созданию имплантатов для восстановления цветного зрения. Мы разработали молекулы, спектр поглощения которых схож с чувствительностью фоторецепторов глаза, причем речь идет не о самих молекулах, а о наночастицах или пленках на их основе. И мы зафиксировали фотоотклик: можно измерить фототок или фотонапряжение, на которые реагируют нервные клетки. Если развивать это направление, то можно создать лекарство для глаз.
— Какие еще научные проекты вы планируете реализовать?
— Проект, финансируемый Минобрнауки совместно с МИФИ, получил грант на проведение исследований в области создания электроники с использованием технологии печати. В рамках этого проекта планируется изучить возможности получения электронных компонентов не только на основе органических полупроводников, но и с использованием неорганических материалов. Нашей задачей является разработка специальных чернил для печати, основанных на органических полупроводниках. Ключевым преимуществом органической электроники является возможность нанесения практически любого материала. Для этого можно использовать струйную печать, а также рулонные методы, применяемые при печати плакатов и газет, позволяющие формировать не только проводники и полупроводники, но и диэлектрики, сложные структуры, транзисторы и микросхемы.
— Какова цель гранта?
— Цель данного гранта заключается в демонстрации потенциала развития в этой области и создании чего-то действительно ценного. Не предполагается замена кремниевых микропроцессоров, поскольку это сложная технология, и кремний обладает уникальными характеристиками. Однако, можно воспроизвести нечто более простое, например, напечатать радиочастотные метки. Это микросхемы, применяемые в смарт-картах, таких как карты для проезда в метро. Прикладывая такую карту при входе, мы используем микросхему, состоящую из сотен транзисторов, которые можно напечатать. Ранее мы выполняли схожие разработки: в 2008 году совместно с немецкими и голландскими коллегами были созданы самоорганизующиеся органические полупроводники, которые они использовали для производства подобных микросхем.
— Как это можно применить на практике?
— Существуют уровни технологической готовности, начиная с первого и заканчивая девятым, где первый уровень соответствует идее, а девятый – промышленному производству. В настоящее время наши исследования находятся на ранних этапах, охватывающих первые два-три уровня: от зарождения идеи до ее реализации и проверки на лабораторном образце. В рамках данного гранта мы можем сосредоточиться на этих этапах, продемонстрировав работоспособность технологии: напечатать транзисторы, измерить их параметры и, возможно, создать базовые микросхемы. Однако наша основная задача – разработка новых материалов. Органическая электроника имеет свои сложности: существует огромное количество органических молекул, но не все они обладают стабильностью и демонстрируют высокие показатели. Для полупроводников ключевой характеристикой является подвижность носителей заряда – это средняя скорость перемещения электронов в материале. Чем выше эта скорость, тем выше частота работы устройств. При этом частота зависит не только от подвижности: уменьшение расстояния между электродами также способствует увеличению скорости работы, но для полупроводника как материала подвижность остается критически важной характеристикой. Мы располагаем органическими полупроводниками с высокой подвижностью носителей заряда, однако необходимо освоить технологию их печати. Каждый проект основывается на научной базе. Финансирование не предоставляется без обоснования: для получения гранта необходимо доказать свою компетентность в данной области, продемонстрировать предыдущие достижения и успешные результаты.
— Предположим, что ваша разработка достигла девятого уровня, каким вы представляете себе ее реализацию?
— Девятый уровень представляет собой воплощение промышленного производства. Для его реализации необходимо создать микротоннажное производство. Органических полупроводников требуется немного — как я уже отмечал, в органическом транзисторе достаточно монослоя. Из одного грамма органического полупроводника можно получить приблизительно 100 м 2 монослоя. Однако есть методы получения слоев, в которых потери при нанесении слоя достигают 99%. Но в любом случае много органических полупроводников сейчас не нужно — это десятки граммов, может килограммы. При этом стоимость хорошего органического полупроводника на сегодня соизмерима со стоимостью золота. Если его покупать, что нам не очень доступно, себестоимость органической электроники будет очень большая.
— Но это дорого! А стоимость обычного полупроводника?
— Обычный кремний значительно доступнее по цене. Однако из него невозможно изготовить гибкую электронику, и его требуется большее количество. Так, для солнечной батареи, обеспечивающей поглощение 90% падающего света, минимальная толщина кремния составляет 3 микрона. В то время как органического полупроводника в органической солнечной батарее достаточно в 30 раз меньше – около 100 нанометров, при этом он будет в 100 раз легче, благодаря существенно меньшей плотности.
— А возможность его удешевить есть?
— Уникальные органические полупроводники, производимые тайваньской компанией, стоят как золото. Практически все, о чем сообщается в научных публикациях, можно приобрести у них. Что касается солнечных батарей, то, по нашим оценкам, сделанным совместно с коллегами, для их внедрения в промышленное производство стоимость одного грамма не должна превышать 30 долларов.
— Какие из ваших последних разработок сейчас наиболее востребованы?
— В нашей организации ведется ряд перспективных разработок. Каждая лаборатория отдела органической электроники сосредоточена на определенном направлении: лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников занимается созданием новых полупроводниковых материалов для органических светодиодов, а лаборатория молекулярных сенсорных технологий — разработкой газовых и жидкостных сенсоров на основе органических полупроводников. Мы стремимся создавать прикладные решения. Например, разрабатывается электронный нос — устройство, предназначенное для определения, какие именно токсичные газы присутствуют и в какой концентрации. Также он может использоваться для оценки свежести продуктов. С помощью жидкостных сенсоров мы пытаемся определять наличие вирусов — в прошлом году была опубликована статья о разработке метода определения вируса гриппа. Создана новая платформа, позволяющая выявлять вирусы в низких концентрациях. По чувствительности она сопоставима с ПЦР, но при этом быстрее. Ранее велся и проект по определению Ковида. Это перспективное направление, которое можно развивать с использованием различных типов сенсоров. Такие платформы можно размещать в общественных местах, таких как метро, аэропорты и вокзалы.
— Есть ли у вас уникальные разработки?
— Они все по-своему уникальны. Но что понимать под уникальностью?
— Уникальные концепции, не встречающиеся больше нигде.
— Обсуждаются предложения, согласованные с академиком Музафаровым, которые предполагают создание материалов для дирижаблей на основе разработок института, оснащение их гибкими солнечными батареями и применение в логистических задачах.
— Концепция дирижаблей пользовалась большой популярностью в эпоху Циолковского, и именно это привлекло внимание советской власти. Однако впоследствии интерес к ним снизился, и они были практически забыты. Возможен ли сейчас их возрождение?
— В настоящее время наблюдается интерес к дирижаблям. Главные трудности, связанные с их эксплуатацией, заключались в необходимости использования двух газов для подъема: водорода и гелия. Водород значительно дешевле, он самый легкий, но представляет собой взрывоопасное вещество. Его применяли в прошлом, что привело к серьезным последствиям. Гелий же абсолютно инертен, его плотность вдвое выше, чем у водорода, но он существенно дороже. В настоящее время гелий используется для охлаждения магнитно-резонансных томографов. Известно, что для минимизации утечек гелия требуются специальные полимерные материалы с барьерными свойствами. Это обеспечивает безопасность, исключая возможность взрыва. Существуют регионы, где такая технология востребована, например, для транспортировки грузов на большие расстояния, где отсутствуют дороги или водные пути. Есть заинтересованные территории, готовые к развитию этой области.
— Почему дирижабли могут представлять больший интерес для некоторых людей, чем самолеты?
— Авиационная техника требует значительных затрат, включая большой расход топлива, и обладает ограниченной грузоподъемностью. Для нее необходимы аэродромы и соответствующая инфраструктура. В случае с дирижаблями ситуация проще. Существуют регионы, заинтересованные в их использовании, и мы оказываем им поддержку. Однако это пока находится на стадии разработки концепций. Что касается печатной электроники, то успешное завершение проекта позволит печатать микросхемы для логистических нужд. Органические полупроводники востребованы в различных областях, и подвижность заряда является одним из ключевых показателей. Для одних применений этот параметр критически важен – например, для транзисторов, – тогда как для других, таких как солнечные батареи, он не так значим. Для сенсоров высокая подвижность заряда является преимуществом.
— Какая у вас научная мечта?
— Я всегда стремился создать что-то своими руками и продемонстрировать, что это эффективно. Практическая направленность для меня имеет огромное значение. Важно не только изучать особенности природы, создавать молекулы и искать для них применение, но и находить потенциальные области использования, а также организовать небольшое производство.
— Свечной заводик?
— Потребность в органических полупроводниках существует. Например, солнечные батареи: если их изготавливать с использованием рулонной технологии, то есть печатать на принтере, то можно быстро напечатать такое их количество, которое позволит удовлетворить все потребности человечества в энергии. Однако, есть и сложности. Главная проблема органических полупроводников – их невысокая стабильность, которую можно решить либо с помощью инкапсуляции, либо путем поиска более устойчивых молекул. Мои научные разработки направлены на использование более стабильных органических полупроводников.
— Возникает вопрос: не приводит ли повсеместное использование принтеров к утрате навыков ручного труда, что, в свою очередь, может негативно сказаться на развитии наших интеллектуальных способностей и привести к интеллектуальной деградации?
— Это во многом обусловлено прогрессом информационных технологий: сегодня у каждого есть смартфон и доступ в интернет. Если раньше нас обучали поиску информации, то теперь перед нами стоит задача защиты от спама, мошенников и распознавания подделок среди реальных результатов. Сейчас актуальны другие вопросы. Однако это общие проблемы для всего общества, а не только для химии.
Данный материал создан при финансовой поддержке Министерства науки и инноваций Российской Федерации в рамках реализации федерального проекта «Популяризация науки и технологий», регистрационный номер 075-15-2024-571.