Альтернативные подходы к разработке новых сопряженных полимеров для устройств органической электроники

Стремительные темпы развития цифровой среды в последние три десятилетия приводят к трансформации многих привычных нам сфер услуг и целых отраслей экономики. Их функционирование переходит в более удобный, быстрый и независящий от человеческого фактора формат онлайн платформ. Наряду с этим, глобальная цифровизация требует новых решений по увеличению скорости сбора и передачи информации. Для этого производственные процессы передают под контроль многочисленных датчиков, камер, детекторов, сенсоров и их число на каждом этапе неуклонно растет (системы умный дом, интернет вещей). Основу таких электронных устройств составляют микропроцессоры, транзисторы и диоды, принцип работы которых основан на р-n переходе, реализуемом с применением различных полупроводниковых материалов. В последние годы ведутся активные исследования в поисках эффективных органических полупроводниковых материалов, способных составить конкуренцию кремнию, теллуриду кадмия и материалам группы А3В5. Сопряженные низкомолекулярные соединения и сопряженные полимеры имеют высокий потенциал и большие перспективы для создания новых типов электронных устройств. Органическая электроника по сравнению с привычными нам устройствами будет иметь существенно меньший вес, отличаться гибкостью, растяжимостью и прозрачностью. Кроме того, производство органической электроники будет основано на растворных технологиях, используя принципы печати, что, несомненно, сделает ее более конкурентной по сравнению с традиционными технологиями и доступной для масс. К сожалению, развитие этого направления ограничено в настоящее время из-за отсутствия простых, экологичных и легко масштабируемых методов получения органических полупроводниковых материалов, сочетающих оптимальные оптоэлектронные, зарядово-транспортные характеристики с важнейшим в контексте производства физико-химическим свойством - растворимостью. Подавляющее большинство сопряженных полимеров и малых молекул сегодня получают по реакциям кросс-сочетания (Стилле, Сузуки, Кумаду, прямое гетероарилирование (ПГА), требующим использования дорогих катализаторов на основе палладия, токсичных оловоорганических и низкостабильных борорганических предшественников. Подготовка таких мономеров связана с использованием литийорганических реагентов и сложной, трудоемкой очисткой хроматографическими методами на специфических неподвижных фазах (SiO2-CN, -Ph, -NH2, buckyprep). Полученные такими методами материалы обеспечивают на сегодняшний день высокие результаты электронных устройств. Например, максимальная эффективность преобразования света для органических солнечных батарей (ОСБ) превышает 18%. Однако, эти рекорды достигнуты для лабораторных прототипов, активная площадь которых находится в диапазоне нескольких десятков квадратных миллиметров. Учитывая проблематичность их синтеза, такие показатели вряд ли можно рассматривать как конкурентоспособные результаты. Существует лишь небольшой ряд полупроводниковых материалов, обеспечивающих приемлемые характеристики устройств, которые при этом демонстрируют незначительные потери при масштабировании этих устройств. В ходе данного проекта будет разработан комплекс методов и подходов для получения серии перспективных полупроводниковых органических материалов высокого качества в препаративных количествах. Переход от классического построения полимерной цепи за счет палладий-катализируемых реакций кросс-сочетания к методам ее формирования посредством образования гетароматических циклов (тиазолотиазол, бензобистиазол, тиа-,оксодиазолы) значительно упростит синтетическую работу и исключит применение металлорганических реагентов. Наиболее перспективные материалы будут детально исследованы для оценки их потенциала как полупроводниковых и фотоактивных материалов. Будет продемонстрирована их работа в реальных устройствах органической электроники: органических полевых транзисторах, перовскитных солнечных батареях, селективно проводящих диодах. Для достижения этой цели будут решены следующие задачи: 1) Будут разработаны и оптимизированы подходы к получению сопряженных полимеров, основная цепь которых будет формироваться за счет образования ароматических гетероциклических фрагментов. Наряду с известными термоиндуцированными реакциями конденсации, будут применяться методы микроволнового синтеза, фотоиницирующие реагенты и др. подходы, более совместимые с промышленными процессами по сравнению с чувствительными к среде и природе мономеров реакциями кросс-сочетания. 2) Наиболее перспективные методы будут тщательно оптимизированы с целью повышения выхода продуктов, снижения дефектов в полимерной цепи (незамкнутые циклы, разрыв системы сопряжения), повышении молекулярной массы полимеров, понижении степени полидисперсности. Будут предложены эффективные подходы по очистке сопряженных полимеров, с целью удаления низкомолекулярных фракций и других примесей. 3) Будет синтезировано не менее 8 новых сопряженных полимеров и проведено исследование их оптоэлектронных свойств и зарядово-транспортных характеристик. Это позволит оценить применимость полученных полимеров как полупроводников и фотоактивных материалов в различных электронных устройствах и при необходимости произвести «настройку» свойств используя широкий инструментарий молекулярного дизайна. 4) Наиболее перспективные сопряженные полимеры будут исследованы в органических полевых транзисторах различных конфигураций, диодах с одним типом проводимости, а также в качестве фотоактивных и зарядов транспортных материалов в органических солнечных батареях и/или перовскитных солнечных батареях. Таким образом, успешное решение перечисленных задач проекта и переход к зеленым методам получения органических полупроводниковых материалов позволит не только синтезировать ряд новых соединений с уникальными свойствами для устройств органической электроники, но и будет способствовать обозначению траектории по переносу лабораторных технологий синтеза к промышленному производству. В результате качественные органические полупроводники с высокими зарядово-транспортными характеристиками, оптимальными оптическими и электронными свойствами станут более доступными, что необходимо для коммерциализации органической электроники.