Физики вырастили кристаллы, позволяющие делать гибкие электронные устройства

Команда исследователей с физического факультета МГУ совместно с российскими и зарубежными коллегами научилась выращивать органические полупроводниковые кристаллы с рекордно высокой светоизлучательной способностью, которые сулят настоящую революцию в органической оптоэлектронике. Больше того, они совершили двойной прорыв, применив для выращивания кристаллов намного более простые и дешевые технологии, которые до того считались бесперспективными. Результаты своей работы ученые опубликовали в последнем номере журнала Applied Materials and Interfaces.

Органическая оптоэлектроника — стремительно развивающаяся область исследований, которая обещает сделать доступными легкие, гибкие и прозрачные электронные устройства нового поколения, такие, как органические светотранзисторы и органические лазеры с накачкой электрическим током — заветной мечтой любого лазерщика. Это очень перспективная область: благодаря хотя бы уже своей доступности органические полупроводники в принципе могут даже потеснить кремний с его электронного трона.

До сих пор считалось, что органические полупроводниковые кристаллы, выращенные путем кристаллизации из паровой фазы, намного предпочтительнее тех, что выращены из растворов, поскольку из пара можно получать более чистые, более свободные от примесей структуры. Группа физиков из МГУ под руководством профессора Дмитрия Паращука относится к той разновидности исследователей, которая этого мнения не разделяет и полагается на растворное выращивание по ряду причин, в частности, на куда более простые и дешевые технологии, применяемые при этом.

В качестве основного полимера для исследований ими были выбраны так называемые тиофен-фениленовые олигомеры. Нужные молекулы были синтезированы для них химиками — коллегами из МГУ и Института синтетических полимерных материалов РАН. Из этих молекул на физфаке МГУ были из раствора выращены кристаллы, здесь же измерены их люминесцентные и электрические свойства.

Главный результат этого исследования оказался ошеломляющим: «растворные» кристаллы светили сильнее, чем их аналоги, полученные другими исследователями из пара. Их квантовый выход (то есть количество испущенных фотонов по отношению к поглощенным) достигал 60%, тогда как те же кристаллы, но «на пару», давали не больше 38%.

Такое разительное различие в светимости физики объясняют в частности тем, что, возможно, при растворном выращивании в кристаллах подавляются некие внутренние, безызлучательные каналы релаксации, забирающие на себя часть поглощенной энергии, однако, по-видимому, это не единственное объяснение.

«Мы уже нашли причины такого высокого квантового выхода, но еще не готовы их обнародовать. Это дело нашего будущего исследования», — заявил профессор Паращук.

Светимость оказалась не единственным плюсом «растворных» методик. В одном из своих прошлых исследований группа Паращука обнаружила, что можно выращивать кристаллы на поверхности раствора вместо твердой подложки — за счет сил поверхностного натяжения. И эти кристаллы по качеству не уступают кристаллам «из пара».

«Мы показали, что можно различными способами растить кристаллы на поверхности жидкости, — говорит профессор Паращук. — Грубо говоря, все эти способы сводятся к тому, что, поместив раствор с молекулами в какой-то сосуд и начав охлаждать его, мы, при некоторых условиях, позволяем молекулам осаждаться на поверхности, на границе „жидкость-воздух“. Поскольку эта поверхность почти идеальна, то кристаллы на ней растут очень хорошие, по качеству и электронным характеристикам не уступающие выращенным из пара. Больше того, поверхность кристалла получается очень гладкой, с ангстремными шероховатостями, что позволяет создавать на их основе полевые транзисторы, где это качество незаменимо».

Паращук подчеркивает, что применимость их кристаллов в светотранзисторах, а значит и в органической оптоэлектронике — это пока только предположение, справедливость которого еще нужно доказывать. То же самое можно сказать и возможном получении на этой основе лазеров с электрической накачкой, то есть лазеров, управляемым электрическим током. «Получить такие лазеры, которые можно „зажигать“ просто подключив пленку к источнику, люди мечтают давно, но пока еще они не получены, — говорит Паращук. — Мы надеемся, что с помощью органических кристаллов мы эту цель сможем приблизить. Сочетание хорошей проводимости и высокой эффективности излучения света позволяет надеяться, что именно на таких кристаллах будет сделан первый лазер с электрической накачкой».