7.6.1.3. Полимерные полупроводники и проводники.

Создание органических и особенно полимерных проводников и полупроводников – давняя мечта химиков и электрохимиков. Органические проводники в принципе должны обладать небольшим весом, невысокой стоимостью, высокой технологичностью, высокой коррозионной и химической стойкостью. Органические проводники получают либо вводя электропроводящие наполнители в полимеры – термопласты или реактопласты, либо они представляют собой по хиимческому строению полисопряжённые молекулы, зачастую молекулы полимеров, например, полиацетилен – СН = СН – СН = СН – СН = СН -. В первом случае проводимость осуществляется по объёмной сетчатой структуре, образованной частицами наполнителя: - частицами технического углерода, графита, металлов (железа, никеля, серебра), резанного стеклянного волокна, покрытого серебром или никелем, резанной алюминиевой фольги, углеродными волокнами. При наполнении полимеров момент образования сетчатой электропроводящей структуры из частиц наполнителя называется точкой перколяции. Ей соответствует объёмное содержание наполнителя V_н. Обычно оно составляет 15 – 30 об.%. Для углеродных и других токопроводящих волокон, а также полосок алюминиевой фольги V_н составляет менее 5 %. Чем меньше V_н, тем более эффективен наполнитель для создания электропроводности. Проводимость во втором случае обеспечивается делокализацией электронов, лёгким перемещением их вдоль макромолекулярных цепей с сопряжёнными связями. Характеристики подвижности электронов вдоль цепи близки к характеристикам движения электронов в сверхпроводниках, реально электросопротивление материала обусловлено исключительно затруднением перескока электронов от одной макромолекулы к другой. Полимерные структуры типа полиацетилена, так называемые структуры с «открытой» цепью сопряжения, склонны вступать в химические реакции с окружающей средой, поэтому они зачастую химически нестабильны. Путём «допирования» (введение в полимер специальных низкомолекулярных добавок) полиацетилена иодом с последующей ориентационной вытяжкой удалось получить материал с электропроводимостью на уровне меди и серебра.

Системы с «закрытой» цепью представляют собой чередующиеся участки ароматических и гетероароматических групп. Они обладают лучшей химической стойкостью и не менее хорошей электропроводностью.

Органические проводники из-за их высокой химической стойкости нашли применение как электродные материалы, например, в твёрдотельных элементах питания и аккумуляторах. Из числа полупроводниковых приборов, изготовленных на основе органических полупроводников, нашли наибольшее применение светодиоды. Разработана технология OLED, позволяющая изготавливать панели, плёнки с органическими светодиодами последовательным напылением органических полупроводников или печатью с помощью струйного принтера. Толщина таких светодиодов составляет всего 0,5 – 1 мкм. Действие светодиода основано на рекомбинации дырок и электронов в области p-n перехода: p + n = hn. В качестве полупроводника р-типа используют ароматический диамин, полупроводника n-типа – ароматический углеводород. Между двумя слоями этих материалов находится светоизлучающий слой из флуоресцирующего хелата металла (например, гидроксихинолила алюминия). В качестве анода используется прозрачный электрод из оксида олова или индия. В качестве катода используется смесь серебра с магнием (соотношение 1 : 10). При приложении напряжения 2,5 – 10 В базовый слой излучает фотоны, причём яркость зависит от напряжения. Коэффициент преобразования электрической энергии в световую достигает 95 % вместо 5% в лампах накаливания. Дисплеи, изготовленные по технологии OLED, содержат ячейки, генерирующие три цвета: синий, зелёный и красный. В настоящее время дисплеи, изготовленные по этой технологии, применяют в сотовых телефонах. Перспективны дисплеи большой площади, в том числе на базе гибкой ПЭТФ плёнки.

Разрабатываются полупроводниковые приборы на основе органических спинтронных полупроводников сверхмалого размера «катетанов». Они состоят из двух соединённых колец, в которых атомы углерода образуют замкнутую сферообразную структуру. Если с молекулы катетана убрать один электрон, то одно кольцо будет вращаться относительно другого. Это так называемое «включенное состояние», при этом излучается бордовый свет. Если электрон вернуть, то получается выключенное состояние, излучается зелёный свет. Нанесение слоёв таких полупроводников достигается методом «спмо-сборки», когда жидкий полупроводник (или его раствор) наливается на поверхность базового кристалла и органические молекулы сами сорбируются на нужных участках поверхности. Такие полупроводниковые приборы имеют размер в одну молекулу. Плотность упаковки при этом в 1000 раз выше, чем при использовании современных методов литографии.

На основе органического полупроводника р-типа фталоцианина изготавливают солнечные батареи, работающие на эффекте Шотки.

Технология изготовления органических полупроводников гораздо более дешёвая, не требует использования вакуума, высокочистых кристаллов.