Российские ученые впервые выяснили,
что, если добавить фтор в органические материалы, они лучше проводят вещества и
ярче светят. Полученные результаты можно использовать для дизайна новых
органических полупроводников и производства лазеров и более ярких гибких
экранов. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials &
Interfaces. Исследование поддержано грантом
Российского научного фонда.
Экраны
наших мобильных телефонов и телевизоров сделаны из органических светодиодов
(OLED). Но борьба за улучшение качества, стоимости, компактности и гибкости
техники продолжает идти. Сейчас ученые возлагают надежды на органические
светоизлучающие транзисторы. Эти устройства соединяют в себе функции управления
электрическим током (транзистора) и излучения света, которую выполняет светодиод.
Поэтому важно найти оптимальные полупроводниковые материалы, способные
выполнять обе задачи. Они могут быть изготовлены в виде тонких кристаллов и
пленок, принимающих нужную форму и излучающих свет по всей поверхности
благодаря перемещению зарядов по веществу. Но у органических полупроводников есть
проблема сбалансированного транспорта электронов, заряженных отрицательно, и
дырок, имеющих положительный заряд и притягивающих свободные электроны. При их
встрече ток превращается в свет. Проблема связана с различием уровней энергии
высшей занятой молекулярной орбитали, на которой находятся дырки и электроны, и
низшей свободной соответственно. Если уровень энергии высшей орбитали слишком
высокий, а низшей – слишком низкий, то заряды с электродов не могут войти в
полупроводник. Из-за этого свет, который он излучает, будет распределяться по
поверхности неравномерно. Так как у органических полупроводников гибкая
структура, ученые предложили, что добавление в их состав молекул фтора может
менять уровни энергии. Ведь атомы фтора способы оттягивать к себе электроны
других атомов.
В
этом исследовании физики и химики из Института синтетических полимерных
материалов (ИСПМ) имени Н. С. Ениколопова РАН, МГУ имени М. В. Ломоносова, Института
спектроскопии РАН и Новосибирского института органической химии СО РАН изучили
свойства тиофен-фениленовых со-олигомеров – цепочек из колец тиофена и
фенилена, в которые добавили фтор. Тиофен – пятичленный цикл с двойными
углеродными связями и серой, а фенилен – остаток шестичленного также
непредельного углеводорода бензола, у которого два углерода напротив не имеют
водорода и потому могут образовывать связи в полимерной цепи. Именно эти
вещества взяли для проведения исследований, так как они обладают высоким
уровнем светоизлучения и поддерживают транспорт носителей заряда обоих знаков –
электронов и дырок.
Ученые
синтезировали и исследовали четыре молекулы-цепочки, состоящие из тиофеновых и
фениленовых фрагментов. Исследователи проводили реакцию замещения: реагент с
неподеленной парой электронов, то есть соединение фтора и углерода, «атакует»
группу водород фенилена и замещает ее. В результате ученые получили олигомеры,
содержащие один, два или три фрагмента со фтором, и для сравнения исследовали олигомер
без добавления фтора. Для того чтобы оценить влияние фтора на структуру, ученые
вырастили кристаллы из синтезированных соединений и проанализировали при помощи
рентгеновских лучей. У кристаллов олигомера без фтора есть четкая слоистая
структура, а в кристаллах частично фторированных олигомеров молекулы одного
слоя проникают в другие, причем чем больше атомов фтора содержит каждая
молекула, тем выше уровень проникновения. Кроме того, повышение концентрации
фтора уменьшает расстояния между молекулами, это способствует эффективному
транспорту зарядов.
Чтобы
определить, как фторирование влияет на перенос заряда и светоизлучение,
исследователи изучили подвижность носителей заряда. Для этого измеряли
зависимость тока от напряжения в разных режимах работы транзистора. Оказалось,
что фтор увеличивает подвижность электронов. Олигомеры, содержащие один или два
фторированных фениленовых фрагмента, показали наиболее сбалансированный
транспорт зарядов, так как такое количество атомов фтора уменьшает энергию
высшей занятой молекулярной орбитали до нужного значения.
«Во
время исследований мы выяснили, что фторирование – эффективный подход к
созданию новых органических полупроводников. Замещение части атомов водорода на
атомы фтора может обеспечить оптимальное сочетание излучающей способности
материала и проводящих свойств», – отметил руководитель проекта по гранту РНФ
Дмитрий Паращук, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей
физики и волновых процессов физического факультета МГУ.
Результаты
работы могут быть использованы для получения других олигомеров с необходимыми
свойствами. Умение контролировать эффективность излучения света и проводимость
веществ упростит процесс создания новых оптико-электронных приборов,
органических транзисторов и лазеров.
Химический синтез олигомеров и изучение их
молекулярных свойств выполнили сотрудники ИСПМ РАН. Теоретическое исследование
переноса заряда сделали в Институте спектроскопии РАН. Испытание транзисторов и
рентгеновский анализ проводили с привлечением экспериментальной базы МГУ.
Электрохимические исследования провели в Новосибирском институте органической
химии СО РАН.
Картинка
1. Работающий
светотранзистор. Источник: Дмитрий Паращук.
Картинка
2. Графическая аннотация
работы. Источник: Дмитрий Паращук.