Разработка новых самоупорядочивающихся полупроводников с улучшенными зарядово-транспортными характеристиками для устройств органической электроники

Глобальная цифровизация общества, являющаяся неотъемлемой частью нашей жизни, чрезвычайно актуальна. Этот процесс направлен на решение постоянно усложняющихся социальных и экономических задач. Переход к новым информационным технологиям, внедрение концепций «умный дом», «умный город» и др. в контексте цифровизации тесно связан с ростом электронной базы для обработки, хранения и передачи информации. Абсолютное большинство современных электронных приборов включает множество интегральных схем, транзисторов и диодов, принцип работы которых основан на электрон-дырочном переходе. Основу этих устройств составляют неорганические полупроводниковые материалы, в основном кремний, германий, соединения группы А3В5 и т.д. В последние годы активно ведутся разработки альтернативных полупроводниковых материалов на основе органических молекул pi– сопряженных полимеров и низкомолекулярных соединений (малые молекулы). Эти соединения являются перспективными кандидатами для изготовления органических светоизлучающих диодов (ОСИД), органических солнечных батарей (ОСБ), органических полевых транзисторов (ОПТ) и других тонкопленочных устройств . Высокая интенсивность исследований в этой области и большой интерес научного сообщества к ней можно объяснить весомыми преимуществами органической электроники перед традиционными устройствами на основе неорганических полупроводников. Они могут быть гибкими, легкими, полупрозрачными и даже растяжимыми в отличии от тяжелых, хрупких и непрозрачных аналогов на основе неорганических материалов . Кроме того, производство тонкопленочных устройств, содержащих органические полупроводники, проще и дешевле, ввиду возможности использования высокоэффективных растворных технологий (рулонные методы печати – R2R). Перечисленные преимущества открывают принципиально новые сферы их применения. К примеру, становится более привлекательной синергия фотовольтаики с современной архитектурой и передовыми урбанистическими дизайнерскими разработками. ОПТ и органические фотодетекторы (ОФ) могут стать основой «умной упаковки» и «умной одежды». Одна из актуальных научных задач, которую предстоит решить для разработки высокоэффективных устройств органической электроники и их практическому внедрению, связана с повышением зарядово-транспортных характеристик органических полупроводников. Во многих случаях, именно невысокие подвижности носителей зарядов материалов лимитируют характеристики оптоэлектронных устройств на их основе. Известно, что материалы, способные образовывать высокоупорядоченные структуры в твердом состоянии, отличаются улучшенными подвижностями зарядов. Перспективным подходом в этом направлении является синтез молекул, которые могут обладать одновременно полупроводниковыми свойствами и формировать жидкокристаллическую фазу. С одной стороны, наличие сопряженного остова в этих соединениях дает возможность «настраивать» их электронные и оптические свойства под различные задачи. С другой стороны, склонность этих соединений к самоорганизации в жидкокристаллической фазе и образованию доменов с минимальным количеством дефектов будет способствовать значительному улучшению подвижностей носителей зарядов. Помимо этого, пленки в жидкокристаллическом состоянии могут образовывать большие домены без границ раздела, залечивать дефекты и формировать регулярно упакованные структуры. В ходе реализации данного проекта будет разработано не менее 12 новых жидкокристаллических сопряженных соединений (полимеров и малых молекул) на основе комбинации наиболее перспективных электроноизбыточных и электронодефицитных структурных блоков. Новые полупроводниковые материалы будут отличаться оптимальными оптическими (контроль ширины запрещенной зоны) и электронными (контроль энергии граничных орбиталей) свойствами в совокупности с повышенными подвижностями носителей зарядов за счет образования высокоупорядоченных супрамолекулярных структур. Особое внимание будет уделено разработке соединений способных обеспечивать эффективный транспорт носителей зарядов как в параллельном, так и в перпендикулярном направлении относительно субстрата электронного устройства, что позволит программировать его функции. Это будет достигнуто с использованием гантелеобразных молекул, формирующих колончатые структуры с высокой проводимостью. Дифракционные методы исследования структуры пленок в геометрии со скользящим пучком (GIWAXS/GISAXS) с использованием высокоинтенсивного источника на линиях ID10 и BM26B Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) позволит контролировать в реальном времени морфологию пленок полупроводников на стадии ее формирования, что позволит подобрать условия для ее оптимизации. Систематический анализ взаимосвязей «структура-свойство» позволит установить новые фундаментальные корреляции между жидкокристаллическим состоянием полупроводниковых соединений и их оптоэлектронными и электрофизическими свойствами. Данные корреляции можно будет использовать в дальнейшем для направленного дизайна и разработки органических полупроводников с улучшенными характеристиками. Успешное решение всех задач проекта будет способствовать созданию инновационных продуктов и, в целом, развитию технологий на основе супрамолекулярной электроники.