Достаточно несколько молекул влаги, чтобы повысить эффективность органических полупроводников

Фиолетовая молекула – это допинг к органическому полупроводнику (OSC).

Все знают, что есть изоляторы, например резина или полиэтилен, и проводники – медь, например, наилучший из относительно дешевых и доступных металлов. А вот диоксид кремния SiO2 – хороший изолятор, поэтому из него, как и из керамики, делают «ролики» при проведении линий электропередач. Однако при нанесении «стеклянного» слоя на кремниевую подложку SiO2 обретает свойства полупроводника, в толще которого при подключении напряжения отрицательно заряженные электроны (n) «срываются» с места, оставляя после себя положительно заряженную «дырку» (p). Возникает так называемый p‑n‑переход, полупроводимость. Этот эффект широко используется сегодня, и его можно сделать еще более эффективным, используя специальные присадки. Эту процедуру часто называют «внесением допантов», то есть внесением допинга.

Выяснилось, однако, что есть и органические полупроводники (OSC – Organic Semi Conductors), основой которых служит не кремний,  а углерод. Это открытие, сделанное японским ученым Хидэки Сиракава из токийского университета Цукуба и двумя американцами – Аланом Макдиармид и Аланом Хигером из университетов Пенсильвании в Филадельфии и Санта‑Барбары в Калифорнии, – было отмечено в 2000 году Нобелевской премией по химии.

Молекулы бромида калия (KBr, розовые) отделяют графен от медной подложки. Сверху – стило сканирующего туннельного микроскопа. Иллюстрации Physorg

В далеком 1977 году открыли, что добавление к полиацетилену летучих галогенов – йода и фтора, HF или TCNQ – тетрацианохинодиметана – способно увеличить проводимость полимера на 11 порядков. Через два года датчанин Клаус Бехгард, профессор химии Копенгагенского университета, создал первый OSC. Треть века спустя электронщики Калифорнийского университета в Санта‑Барбаре к своему удивлению выявили такой же эффект кислот, содержащих бор и алюминий в соединении с бромом и хлором, а также B(C6F5)3.

После пяти лет напряженной работы калифорнийцы сумели понять механизм благотворного действия «кислотных» допантов. Оказалось, что для этого нужны ничтожные количества обычной… воды. Опыты проводились в герметичных камерах, в атмосфере азота, что подразумевало полное отсутствие влажности. И тем не менее эффект был. Авторы статьи в журнале Nature Materials возложили «вину» на присутствие какого‑то количества молекул воды на поверхности использовавшихся материалов, до конца не высушенных.

Теперь ученые надеются использовать накопленный электронной промышленностью опыт внесения необходимых количеств допантов в кремниевые составляющие чипов, чтобы регулировать в OSC количество кислот и воды. Идет речь и о создании новых кислот с заданными свойствами и параметрами. В Санта‑Барбаре выяснили, например, что B(C6F5)3 намного лучше, чем BF3, BBr3 и AlCl3.

Бифениловый мостик между двумя листками графена, подсоединенными к золотым контактам.

Решение другой проблемы связано с формированием бифенил‑N‑карбазоловых мостиков (ВРС) между двумя листами графена, подсоединенных к золотым электродам. Графеновые листы находятся на подложке из диоксида кремния. Причем на поверхность подложки выведены атомы кремния, служащие для «заякоривания» вертикально и под разными углами стоящих комплексов ВРС. Атомы кремния, в свою очередь, удерживаются на поверхности SiO2 с помощью трех остатков муравьиной кислоты.