Структура и фотография работающего органического 2D-светотранзистора. Источник: Fedorenko et al. / Adv. Electron. Mater., 2022
Российские ученые при участии немецкого коллеги получили новый материал, который сочетает в себе два важных для оптоэлектроники свойства: высокую подвижность зарядов и способность к люминесценции. На его основе они создали первый органический 2D-светотранзистор, открывающий путь к гибким прозрачным источникам света и экранам нового типа. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Electronic Materials.
Двумерные (2D) полупроводники позволяют изготавливать сверхтонкие прозрачные электронные устройства, необходимые для развития интернета вещей и сенсорики. Свойства этих материалов открывают возможности к созданию гибкой, сверхтонкой, прозрачной и дешевой электроники. Полупроводники состоят из одного или нескольких слоев органических молекул и, если их удается упаковать в макроскопические монокристаллы размерами со стандартную подложку (порядка 1 см), они становятся идеальным материалом для транзисторов — базовых элементов любых электронных устройств: датчиков, сенсоров, пикселей дисплеев, источников света и подобных.
В последние годы органические 2D-материалы показали себя не менее эффективными, чем 3D-аналоги. Например, они обладают более подвижными носителями заряда — эта характеристика определяет проводимость и быстродействие устройства. Особым спросом в органической оптоэлектронике пользуются 2D-материалы, которые сочетают в себе как высокую подвижность носителей заряда, так и люминесценцию. В частности, их используют для создания органических светотранзисторов — устройств, способных управлять электрическим током и излучать свет. Они могут служить активными пикселями в экранах и элементами различных сенсоров, а также быть платформой для управляемых током органических лазеров. Однако до недавнего времени не было известно о 2D-монокристаллах органических полупроводников, которые сочетали бы в себе оба полезных свойства.
Коллектив ученых из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова(Москва), Института синтетических полимерных материалов имени Н. С. Ениколопова РАН (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва), Института биоорганической химии имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН (Москва), Новосибирского института органической химии имени Н. Н. Ворожцова СО РАН (Новосибирск), Новосибирского государственного университета (Новосибирск) и Зигенского университета (Германия) разработал и получил органический 2D-полупроводник, обладающий высокой подвижностью зарядов и выраженной люминесценцией.
Ученые синтезировали новые молекулы на основе жесткого центрального фрагмента, который состоит из ароматических колец и отвечает за полупроводниковые и светоизлучающие свойства. Также его модифицировали длинными гибкими алкильными «хвостами» для увеличения растворимости. Такая молекулярная структура позволила вырастить из раствора 2D-монокристаллы размерами до одного миллиметра. Полученный материал изучили методами оптической, атомно-силовой и фотолюминесцентной микроскопии.
Выращенные 2D-кристаллы обладали подвижностью носителей заряда на порядок выше, чем в аморфном кремнии — основном материале транзисторов, используемых в современных экранах смартфонов, планшетов и телевизоров. Также структуры выдерживали повышенные температуры — свыше 200ºС, в то время как многие популярные органические полупроводники, например полимеры и низкомолекулярные соединения, используемые в органических светодиодах и солнечных батареях, теряют свои кристаллические свойства при таком нагреве. Важно и то, что ученые продемонстрировали первый 2D-органический светотранзистор, разработанный на основе нового материала.
«Исследование показало, что высокая подвижность носителей заряда и ярко выраженные люминесцентные свойства могут быть объединены в одном органическом 2D-кристалле. За счет своих свойств созданный материал перспективен для оптоэлектроники нового поколения, а на его основе можно разработать ультратонкие источники света высокой яркости и различные сенсоры», — комментирует руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Паращук, доктор физико-математических наук, профессор МГУ и ведущий научный сотрудник ИСПМ РАН.