Что представляют собой органические полупроводники, в чём их преимущества, каковы отечественные разработки в этой области? Есть ли среди них уникальные решения? Почему дирижабли могут вновь стать актуальными, и как с этим связана химия? Об этом рассказывает 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 с коллегами начал работу с органическими полупроводниками. В 2011 году в ИСПМ РАН была создана лаборатория функциональных материалов для органической электроники и фотоники, которая в 2022 году превратилась в отдел органической электроники. В нём четыре лаборатории: три из них возглавляют мои ученики, ставшие докторами наук. Лаборатория по материалам возглавляется Олегом Валентиновичем Борщевым. Появились лаборатория молекулярных сенсорных систем (Елене Валериевне Агиной) и лаборатория полимерных солнечных батарей (Юрию Николаевичу Лупоносову).
Четвертая лаборатория основана недавно: Министерство образования и науки реализует программу по открытию молодежных лабораторий, и в рамках программы создана Лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников, которую возглавляет кандидат физико-математических наук Андрей Юрьевич Сосорев. Эта лаборатория разрабатывает направление, связанное с органической электроникой — органические светоизлучающие диоды (OLED).
— Расскажите подробнее, что это такое.
OLED (или ОСИД) — технология для современных устройств отображения информации. Раньше экраны смартфонов и телевизоров были жидкокристаллическими. Теперь появилась новая технология — основанная на органических светоизлучающих диодах. В чём разница? Жидкие кристаллы — пассивная технология, пропускающая свет сквозь себя. А здесь сам пиксель, сам экран светится благодаря явлению электролюминесценции: органические полупроводники излучают свет под действием электрического тока. Создание определённой структуры для синего, зелёного и красного света образует матрицу, из которой формируется изображение.
— Что означает термин «органические полупроводники»? Откуда взялось такое наименование?
Мы привыкли считать, что полупроводники обычно состоят из кремния или других неорганических веществ. Органические материалы применялись как диэлектрики. Углерод, водород, кислород, азот и сера. Как правило, системы проявляют диэлектрические свойства. Но оказалось, что могут быть и такие, пи-сопряженные, которые проявляют полупроводниковые свойства, либо могут быть проводниками. За это в 2000 году Нобелевскую премию получили Алан Хигер, Алан Макдиармид и Хидэки Сиракава. Некоторые из них — физики, но получили премию по химии «за открытие и разработку проводящих полимеров». С тех пор это направление получило широкое развитие. Когда Нобелевскую премию дают за какое-то открытие, с одной стороны, оно уже привело к развитию целого нового направления, с другой — сразу появляется дополнительный интерес к нему, и его развитие, как правило, ускоряется. Я начал заниматься этим направлением в 2001 году и с тех пор интерес к нему не гаснет, а наоборот, появляется все больше разных применений.
— А какие еще применения у «органики»??
Органические солнечные батареи, органические полевые транзисторы, хемо- и биосенсоры на их основе — отличия органических полупроводников от кремниевых в том, что они более легкие и тонкие. Например, в органических хемосенсорах используют нанослой органического полупроводника всего 3 нанометра толщиной. В результате устройства органической электроники могут быть гибкими, полупрозрачными или даже полностью прозрачными. На их основе можно сделать светящиеся экраны, средства отображения информации, стены — то, что вы в фильме «Аватар» наверняка видели. Все эти технологии реализуемы на органических полупроводниках. Еще их много используется в биоэлектронике, например в качестве сенсоров на биологические молекулы, где достигнута рекордная чувствительность, вплоть до одной молекулы в пробе. Из некоторых органических проводников делают имплантаты, которые восстанавливают нервные импульсы, потому что обычные проводники и полупроводники отторгаются организмом — там и механические свойства другие, и ионы металлов могут образовываться, а это небезопасно. А органические полупроводники ближе к биологическим тканям по своей механике, природе, химии. Поэтому организм спокойно их воспринимает, не отторгает.
УСтроительство органической электроники допускает создание гибких, полупрозрачных и полностью прозрачных устройств.
— Такие имплантаты уже где-то делают?
Существуют статьи по этой теме. Итальянские учёные наиболее активно её развивают, работая с органической биоэлектроникой, основанной на проводящем полимере поли-3,4-этилендиокситиофена.
— А в нашей стране?
В нашей стране существуют сложности с химическим производством, однако сейчас совместно с коллегами предпринимаются шаги по их преодолению. Последние годы характеризуются активной заменой импорта: стране необходимы органические полупроводники, люминофоры. Раньше отдельные технологии органической электроники закупались за рубежом, но теперь к ним отсутствуют материалы. В настоящее время всё это восстанавливается и разрабатываются новые решения.
— И что же придумали нового?
Существует много различных молекул, и мы синтезировали множество их. В биоэлектронике используется органические полупроводники как прототип имплантатов для глаза. Поглощение этих органических полупроводников соответствует спектру чувствительности палочек и колбочек глаза. Ученые из Италии сначала продемонстрировали это на поли-3-гекситтиофене, используемом в органической фотовольтаике: они интегрировали фотоэлемент на его основе в глаз, и он успешно заменил фоторецепторы. Существуют глазные болезни, такие как ретинит и дегенерация сетчатки, когда пигменты теряют чувствительность к свету, но нервные клетки остаются живыми. Пленку или наночастицы из органического полупроводника можно имплантировать или инжектировать в клетки глаза. В экспериментах использовались линии слепых с рождения крыс, которые после имплантации начали видеть. Мы разработали молекулы, поглощающие свет таким же образом, как фоторецепторы глаза. Наночастицы или пленки из этих молекул вызывают фотоотклик, регистрируемый в виде фототока или фотонапряжения, на который откликаются нервные клетки. Развитие этого направления может привести к созданию лекарств для восстановления зрения.
Какие еще научные планы Вы хотели бы реализовать?
Мы получили грант от Минобрнауки на совместный с МИФИ научный проект по изучению возможности получения электроники печатными методами. Такую электронику можно печатать как из органических, так и из неорганических полупроводников. В рамках проекта наша задача — разработка чернил для печати из органических полупроводников. Преимущество органической электроники в том, что можно напечатать практически все: с помощью струйного принтера, рулонного метода (как при печати плакатов или газет) можно печатать не только буквы, но и проводники, полупроводники, диэлектрики, конкретные структуры, транзисторы, микросхемы.
— Какова цель гранта?
Цель этого гранта — продемонстрировать возможности развития в этом направлении и создать что-то полезное. Не идет речь о замене кремниевых микропроцессоров: у кремния сложная технология и уникальные свойства. Но более простые элементы можно повторить, например, напечатать радиочастотные метки. Это микросхемы, используемые в смарт-картах для проезда в метро: прикладываем их при входе — в них сотни транзисторов, которые можно напечатать. Ранее мы совместно с немцами и голландцами в 2008 году разработали самоорганизующиеся органические полупроводники, и использовали их для получения таких микросхем.
Как возможно применить всё это?
— Существуют уровни готовности технологии от первого до девятого, где первый — это на уровне идеи, а девятый — промышленное производство. Пока мы занимаемся фундаментальными исследованиями, то есть первыми двумя-тремя уровнями. Есть идея, ее реализация и проверка на лабораторном образце. В рамках этого гранта мы можем только на этих уровнях работать, показать, что это работает: напечатать транзисторы, измерить их характеристики, быть может, какие-то простейшие микросхемы получить. Но наша задача — разработка материалов. С органической электроникой не все так просто: органических молекул очень много, не все они стабильны, не все показывают высокие характеристики. У полупроводников основная характеристика — подвижность носителей зарядов. Это усредненная скорость, с которой электроны перемещаются в этом полупроводнике. Чем она выше, тем с большей частотой могут работать устройства. При этом частота зависит не только от подвижности: чем меньше расстояние между электродами, тем быстрее работает устройство, но для полупроводника как материала эта характеристика — подвижность — крайне важна. У нас есть уже органические полупроводники с высокой подвижностью носителей заряда, но их еще нужно научиться печатать. У каждого проекта есть своя научная основа. Просто так гранты не дают: если вы просто хотите что-то новое исследовать, никто денег не даст, нужно доказать, что вы специалист в этой области, вы что-то сделали, у вас уже что-то получилось.
Предположим, ваш проект достиг девятого этапа, как вы представляете его реализацию?
Девятый уровень — воплощение, промышленное производство. Для этого нужно создавать микротоннажное производство. Органических полупроводников не требуется много — уже говорил, что в органическом транзисторе монослой работает. Из одного грамма органического полупроводника можно получить примерно 100 миллионов транзисторов. 2Существуют методы получения слоев с потерями при нанесении до 99%. Тем не менее сейчас много органических полупроводников не требуется — десятки граммов, возможно килограммы. Стоимость хорошего органического полупроводника сопоставима со стоимостью золота. Приобретение его в таком объёме приведет к высокой себестоимости органической электроники.
— Но это дорого! А стоимость обычного полупроводника?
Обычный кремний стоит дешевле. Но из него нельзя сделать гибкую электронику, а для её производства требуется больше материала. Например, чтобы солнечная батарея поглощала 90% падающего света, слой кремния должен быть не менее 3 микрон толщиной. Органический полупроводник в органической солнечной батарее нужен всего в 30 раз меньше — около 100 нанометров. При этом он будет в 100 раз легче из-за меньшей плотности.
— А возможность его удешевить есть?
Уникальные органические полупроводники тайваньской фирмы стоят как золото. Можно купить всё, о чём написано в статьях. Например, солнечные батареи — мы с коллегами делали оценки: для промышленного производства им нужна цена не выше 30 долларов за грамм.
— Что из нового у вас разработано сейчас считается самым важным?
У нас много актуальных разработок. Лаборатория фото- и электрофизики органических полупроводников разрабатывает новые полупроводники для органических светодиодов. Лаборатория молекулярных сенсорных технологий создает газовые и жидкостные сенсоры на основе органических полупроводников. Мы пытаемся создавать прикладные вещи, например, электронный нос, который определяет токсичные газы — какой газ и в какой концентрации. Также определяется свежесть продуктов. На основе жидкостных сенсоров мы пытаемся определять вирусы — в прошлом году вышла статья по определению вируса гриппа. Разработана платформа, которая позволяет идентифицировать низкие концентрации вируса. По своей чувствительности она соизмерима с ПЦР, только быстрее. Был проект по определению Ковида. Это целое направление, его можно реализовывать на разных видах сенсоров. Платформы можно устанавливать в общественных местах: метро, аэропортах, вокзалах.
— Есть ли у вас уникальные разработки?
— Они все по-своему уникальны. Но что понимать под уникальностью?
— Новые мысли, которых не найдешь больше нигде.
В институте разрабатывают возможность создания материалов для дирижаблей с использованием гибких солнечных батареями, а также обсуждается их применение в логистике с академиком Музафаровым.
В годы Циолковского концепция дирижаблей пользовалась большой популярностью, что и вызвало расположение к нему со стороны советских властей. После этого интерес к этой идее угас и она фактически была забыта. Появился ли сейчас шанс на её возрождение?
Сейчас существует интерес к дирижаблям. Основные проблемы с ними заключались в двух возможных газах для полета: водород и гелий. Водород — дешевый и легкий, но взрывоопасный. Его использовали, и это привело к пожарам. Гелий же совершенно инертен, вдвое тяжелее водорода, но очень дорогой. Сейчас его используют для охлаждения МРТ. По имеющимся сведениям, подходы с использованием гелия для минимизации утечек основаны на специальных полимерных материалах с барьерными свойствами. Это безопасно, так как гелий не взрывается. Проекты с дирижаблями востребованы в местах без дорог и рек для транспортировки грузов на большие расстояния. Есть заинтересованные регионы, готовые развивать эту тему.
В чём заключается привлекательность дирижаблей по сравнению с самолётами для некоторых людей?
Самолеты недешевы из-за большого расхода топлива и небольшой грузоподъемности. Им нужны аэродромы и инфраструктура. Дирижабли проще в использовании: есть заинтересованные регионы, которым мы стараемся помогать. Это пока идеи. Но печатная электроника — это реальность: если проект удастся, можно будет печатать микросхемы для логистики. Органические полупроводники востребованы во многих сферах, подвижность заряда важна. Для транзисторов — ключевой параметр, для солнечных батарей — не настолько важен. Для сенсоров высокая подвижность желательна.
— Какая у вас научная мечта?
Меня всегда влечило создавать что-то и доказывать его работоспособность. Практическая направленность для меня принципиальна. Не только изучать природу, синтезировать молекулы и искать их применение, но и находить местами реализаций, организовывать небольшое производство.
— Свечной заводик?
Есть потребность в органических полупроводниках. Например, солнечные батареи: если печатать их рулонными технологиями на принтере, то можно быстро изготовить столько, чтобы удовлетворить энергетические нужды человечества. Но есть проблемы. Основная проблема — невысокая стабильность, которую решают инкапсуляцией или поиском более стабильных молекул. Мои научные идеи связаны с использованием более стабильных органических полупроводников.
Заучивая печать на принтерах, не задумываемся о том, что лишаем возможность творить своими руками. А ведь умение создавать что-то своими силами напрямую влияет на интеллект, и в итоге мы деградируем.
Это связано с развитием информационных технологий. У каждого из нас сейчас смартфон, доступ к интернету. Раньше учили искать информацию, а сейчас нужно её защищать: от спама, мошенников, отличать фейки от реальных результатов. Проблемы общества в целом, а не химии.
Публикация осуществлена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» под номером 075-15-2024-571.