Ако е претерано да се каже дека органските и печатените кола ја револуционизираат микроелектрониката, тоа е многу мало. Никогаш досега не бил намален временскиот јаз помеѓу фундаменталните истражувања и неговата практична примена со толку брзо темпо. Затоа, оваа тема беше една од главните на меѓународната специјализирана изложба на пластика и гума „К-2013“ (16–23 октомври 2013 година, Дизелдорф), на која беше претставен посебен иновативен дел од изложбата - Печатена електроника - им даде на посетителите големи можности да се запознаат со технологиите за печатење, функционалните површини, RFID решенијата, флексибилните дисплеи, како и OLED развојот.

Во текот на изминатите десет години, светот доживува бум во развојот на органската и печатената електроника; Стотици компании и истражувачки институти се тркаат да го заземат новиот пазар, кој расте експоненцијално (види слика) и се предвидува дека ќе се зголеми со ред на големина за десет години.

Се верува дека историјата на оваа научна насока започнала во 1977 година, кога хемичарите Алан Хегер, Алан МекДиармид и Хидеки Ширакава ги објавиле резултатите од нивното истражување, кое покажало дека полиацетиленот модифициран со халоген може да спроведе електрична струја речиси како метал. Ова откритие и други фундаментални истражувања во областа на органските полимери придонесоа за развојот на органската електроника, која ги комбинира развојот на цврстата состојба и молекуларната физика, органската и неорганската хемија, науката за полимерните материјали, електрониката и печатењето. Во 2000 година, основачите на оваа пробивна насока ја добија Нобеловата награда за хемија „за откривање на спроводливост во полимерите“.

Нови функции

Во името на новата генерација на микроелектроника - таканаречената органска и печатена електроника - терминот "органски" се користи од едноставна причина што малите кола со огромен број транзистори, сензори, LED диоди и поврзувачки кола повеќе не се изградени на основа на силициум и галиум арсенид, но врз основа на јаглеродни деривати. Терминот „печатено“ значи дека тие можат да се применат на лесни, флексибилни, па дури и проѕирни подлоги кои се намотани директно од ролни користејќи широко користени методи за печатење (екран, инк-џет или флексо печатење) во форма на рамни обрасци на печатени кола и структурни единици кои имаат Во моментов, дебелината е од редот на неколку десетици микрометри.

Друга активно промовирана опција за нивно производство, на пример во производството на органски фотоелементи, е секвенцијалното гасно таложење на функционалните слоеви во вакуум.
Примери за практична примена на нови материјали и технологии веќе станаа „паметно“ пакување, осветлување со помош на OLED (органски диоди кои емитуваат светлина), евтини електронски RFID (идентификување на радио фреквенција), ролни дисплеи, флексибилни соларни панели, уреди за еднократна употреба за дијагностика, флексибилни екрани на допир, печатени батерии, транзистори и мемориски уреди.

Интеграција во производите

Со користење на технологии за печатење и таложење, се добиваат разновидни електронски или фотонски функционални површини во форма на филмови и облоги, кои можат да се применат на сите видови текстил и други производи со кој било радиус на искривување. Во исто време, тие дејствуваат како капацитивни сензори или светлосни полиња на доволно голема површина во форма на органски диоди што емитуваат светлина, сложени сензори за мерење важни параметри на животната средина или медицински индикатори, како што се температура и влажност.

Дополнително, тие можат да се користат како лесни и флексибилни органски соларни ќелии или батерии со печатење со рамна плоча (слика 1) за напојување на минијатурни уреди. Така, опсегот на електроника и дигитална технологија во иднина повеќе нема да биде ограничен на персонални компјутери, таблети, мобилни телефони, конзоли за игри и слични уреди во специфичен дизајн. Новите системи може да се интегрираат во сите соодветни производи без да се формираат споеви за поврзување. Ова отвора нови, досега непознати, па дури и многу егзотични можности за нивна интеграција во „паметни“ објекти и придонесува за проширување на нивната интеракција со самоуправните и автономни дигитални системи во „Интернет на нештата“.

Поле на интензивно истражување Развојот на материјали и производи погодни за практична употреба, како и технологии за нивно производство, активно се развиваат низ целиот свет од истражувачки оддели на различни компании во хемиската, фармацевтската, автомобилската, индустријата за пакување, како и производители на медицинска опрема, електроника и стоки за широка потрошувачка. Органската и печатената електроника сè уште се многу интензивно истражувачко поле со долгорочни изгледи за понатамошен развој. Во моментов, таа го следи типичниот пат за нови технологии од медиумска возбуда до воведување во масовно индустриско производство.

Во најновото, петто издание на патоказот на Здружението за органска и печатена електроника (ОЕ-А: Здружение за органска и печатена електроника), кое е една од работните групи во рамките на VDMA (Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbaubetriebe), посветена на се анализираат можностите практични технологии за примена и производство на органска електроника, состојбата и развојните трендови на оваа област на дејност во следните 10 години. Со повеќе од 220 вработени, OE-A ги обединува активностите на повеќе од 180 производствени компании и истражувачки институти од 29 земји во Европа, Северна Америка, Азија и Австралија и ги координира истражувачките и апликативни проекти, како и прашањата за стандардизација во рамките на Меѓународната комисија за електротехника (IEC).Електротехничка комисија) TC119 и други организации.

Новата микроелектроника создадена врз основа на полимерни материјали сè уште е далеку од целосно окупирање на нивната достојна позиција во сите сектори на пазарот. Сепак, првите производи веќе наидуваат на практична примена, што често дури и не го реализираат крајните потрошувачи кои ги користат овие производи.

Новите достигнувања во оваа област се основна платформа за напредно индустриско производство, комбинирајќи ги принципите на технологијата на печатење, електрониката и полимерната технологија.

Органските LED екрани се првата област на масовна примена

Првата и многу успешна област на масовна примена на органската електроника беше производството на мали органски LED екрани за мобилни телефони и паметни телефони. Според аналитичарите, минатата година прометот во овој сектор на органска електроника беше 9 милијарди долари, а до 2025 година глобалниот годишен пазарен обем на овој пазарен сектор треба да достигне 200 милијарди долари. Ова приближно одговара на прометот на тековниот пазар за традиционални силиконски чипови. Веќе се рекламираат, па дури и постојат (на пример, од Samsung и LG).

Сепак, треба да се забележи дека по нивната сегашна цена (околу 10 илјади американски долари), ваквите екрани можат да бидат интересни само за жестоките љубители на техничките иновации.

Електронските читачи на книги од Amazon или Sony, кои обезбедуваат привлечност на е-книгите на „електронска хартија“ благодарение на принципот на бистабилно прикажување што се користи во електрофоретскиот дисплеј, кој е корисен од енергетска гледна точка, стануваат популарни насекаде. Тие главно се дизајнирани за прикажување статични информации, како што се страниците на книгите, базирани на оригинална технологија од компанијата E-Ink. Сепак, нивната понатамошна комерцијална дистрибуција е во голема мера ограничена со Retina дисплеите што се користат во таблетите на Apple, кои имаат висока резолуција и видео способности. Ако ја следиме иновативната логика на еволуцијата, тогаш Retina дисплеите, заедно со помалку светли LCD дисплеи, одамна требаше да ја заменат технологијата E-Ink.

Флексибилни екрани

Следната фаза на развој, која може значително да ги унапреди електронските дисплеи, е создавање на флексибилни (дури и се тркалаат во цевка) електронски уреди за читање и таблети (слика 2), произведени без употреба на тешка и кревка стаклена обвивка. Лидер во овој сектор е британската компанија Plastic Logic, со целосно автоматизирана производствена база во Дрезден, која веќе ја совлада уметноста на производство на органски матични плочи со транзистори со тенок филм, а со тоа и активните матрици потребни за индивидуална контрола на осветленоста на поединечниот екран. пиксели. Најновиот напредок во оваа област е тенок, флексибилен електронски дисплеј од 10,7 инчи со резолуција од 150 ppi и TFT матрица од 1280 x 960 пиксели, за вкупно 1,2 милиони пиксели.

Во секторот за органски сензори, Plastic Logic, заедно со француската компанија Isorg, подружница на големиот истражувачки комплекс CEA-LITEN во Гренобл (Франција), исто така е пред своите конкуренти. Овие компании неодамна претставија двигател за видео сигнал од 4x4 cm со 8930 пиксели на тенка полимерна основа.

Капсулација за да се спречи изложување на водена пареа

Развојот на органските фотоволтаици и технологијата на индикатори е до одреден степен попречен од потребата за херметички затворена инкапсулација со цел да се заштити од ефектите на водената пареа содржана во атмосферата, што доведува до корозија на слоевите на електродата и намалување на работниот век на уредите. Досега тоа беше можно само со употреба на тврдо заштитно минерално стакло. Бариерните филмови применети со ламиниране може да послужат како техничко решение погодно за слободно конфигурирани елементи на соларни ќелии и флексибилни екрани. Транспарентните слоеви на аморфен силициум диоксид (алумина) се чини дека се најпогодни за оваа намена. Нивниот развој и истражување заеднички го спроведуваат различни организации, како што се Здружението на институтите Фраунхоф за полимерни површини (Поло) и Јапонскиот национален институт за напредни науки (AIST).

Возачи за практична употреба

Највпечатливите и најубедливите примени на резултатите од споменатите работи, според „патната карта“ на здружението ОЕ-А, се достапни во четири големи области - автомобилската и фармацевтската индустрија, производството на електроника за широка потрошувачка и „смарт“ пакување за храна, лекови Употребата на „паметно“ пакување со печатени етикети активирани со радио сигнали (т.н. електронски ознаки) може значително да ја подобри ефикасноста на процесите за ракување со стоки и да ги реши логистичките проблеми.

Тие, исто така, можат да користат печатени и динамички ажурирани полиња за да им покажат на потрошувачите датуми на крајот на употребата на производот, да сигнализираат прекини на ладењето за чувствителни производи или да гарантираат автентичност на висококвалитетни производи кога се поврзани со податоци за синџирот на снабдување што може да се следат. Водечката позиција во оваа област ја зазема германската компанија PolyIC, која е специјализирана за развој на електронски ознаки, печатени антени за нив, како и електрично спроводливи проѕирни органски филмови (слика 4).

Патоказот OE-A содржи и информации за уште еден актуелен развој: премиум автомобилите веќе користат печатени антени и печатени сензори за оптоварување на седиштата, вградени во нивниот тапацир и дизајнирани да ги активираат (ако е потребно) пневматските воздушни перничиња. Овие сензори снимаат тежина, правејќи разлика помеѓу возрасни и деца. Оваа опрема вклучува и органски LED екрани за камери за рикверц што ги заменуваат традиционалните ретровизори, системи за осветлување за групите инструменти на контролната табла и тешко видливи уреди за одмрзнување на прозорците.

Органски дисплеи и сензори чувствителни на допир се во најава за замена на механичките индикатори и прекинувачи во автомобилите. Се развиваат првите верзии на фарови за рикверц со органски LED диоди (особено од Audi), кои можат да станат заштеда на енергија и поекономична алтернатива на модерните LED светла. Под дискусија е и органското LED осветлување полиња кои би можеле да послужат за создавање на приспособливи и приспособливи во боја тавани на покривот или за истакнување на праговите на вратите.

Осветлување со органски LED диоди

Патоказот OE-A испитува четири главни области на примена за органски и печатени електронски производи - OLED осветлување, органски фотоволтаици, електрофореза (е-хартија) и OLED дисплеи, како и електронски структурни елементи како дополнување на традиционалната микроелектроника базирана на силикон.

Од нив, изворите на светлина засновани на органски диоди што емитуваат светлина моментално се најактивно дискутирани како најамбициозен тип на производ, бидејќи од гледна точка на заштеда на енергија тие претставуваат сериозна алтернатива на докажаните LED диоди и халогени светилки.

Покрај тоа, според патоказот OE-A, OLED дисплеите и осветлувањето претставуваат нарушувачки правец на ова поле. За разлика од традиционалните LED диоди и емитери на халогени точки, органските LED диоди овозможуваат создавање извори на светлина на доволно голема површина со динамички прилагодлива боја на емисија. Органските LED диоди може да се монтираат на многу атрактивни архитектонски начини на различни површини, вклучувајќи ги и познатите предмети за домаќинството. Како резултат на тоа, овие објекти стануваат активни извори на светлина.

Уредите за осветлување базирани на органски диоди што емитуваат светлина веќе се користат во дизајнерски студија и висококвалитетни производи од Osram и Philips.

Органски фотоволтаици и батерии

Органските фотоволтаици се развиваат паралелно со хибридни системи и уреди со титаниум диоксид што содржат бои, како и уреди базирани на чисто органски полимери. Моментално се дистрибуираат на комерцијален размер.

Поради нивната релативно ниска ефикасност, овие уреди не се наменети за употреба како извори на енергија во јавните мрежи; Тие се користат само за локално снабдување со енергија на потрошувачите (берење енергија) и за полнење батерии на мобилни дигитални и потрошувачки уреди, како и мерни станици.

На долг рок, почнувајќи од 2021 година, патоказот на здружението OE-A вклучува употреба на органски фотоволтаици во надворешното осветлување за возила и згради (BIPV: Building Integrated Photovoltaics).

Компонентите на органскиот електронски систем, кои поради нивните уникатни својства можат да се интегрираат во традиционалните електронски кола, се користат во печатени медиуми како што се фероелектрични и неиспарливи филмски медиуми понудени од водечкиот фински производител Thinfilm. Развојот што го промовира оваа компанија е истовремено и пример за системска интеграција на органски компоненти од различни производители во поголеми функционални единици базирани на заеднички печатени основи. Особено, со комбинирање на Thinfilm дискови со печатени логички кола на транзистори од калифорниската истражувачка компанија PARC, се создава софтверски адресибилен мемориски модул (слика 5).

Со понатамошно развивање на овој развој во комбинација со печатени термистори, шведскиот дисплеј панел Forschungsinstitut Acreo и печатени батерии, може да се создадат компактни системи за мерење.

Печатените, многу рамни и флексибилни батерии, исто така, стануваат фокус на развој кога се решаваат прашањата за системска интеграција во органската електроника. Во моментов, во секторот за еднократна употреба доминираат јаглерод-цинк батерии, додека батериите на база на литиум што се полнат се уште се во фаза на развој.

Енергетски интензивните суперкондензатори исто така се разгледуваат како алтернативни извори за краткорочно напојување на уредите. Тие се испразнуваат на ист начин како и батериите.

Ваквите извори на електрична струја може да се интегрираат, заедно со индикаторските и светлосните полиња, сензорите за допир и соларните ќелии, во амбалажата, текстилот и другите производи за широка потрошувачка, со што се зголемува нивното ниво на вредност и функционалност.

Подготвил: д-р. V. N. Mymrin користејќи
материјали за печат од изложбената компанија Messe Duesseldorf

ИСТОРИСКА ЕКСКУРЗИЈА
Полимерите со висока електрична спроводливост, псевдометални и полупроводнички својства се добиени уште во 60-тите години. Класичен пример за полимер од оваа класа е полиацетилен. Благодарение на поликонјугираните хемиски врски, неговата електрична спроводливост може да се промени во широк опсег и за време на процесот на синтеза (со контролирање на должината на полимерните синџири) и под влијание на полето (термичко, електромагнетно, јонизирачко зрачење), што доведува до соодветна промена во или примарната структура на полимерот (структурно преуредување), или до промена на степенот на неговата полимеризација. Спроводливите полимери се широко користени за производство на електроди за хемиски извори на струја (полианилини), автоматски термостати и стабилизатори на напон (полиакрилонитрили), како електролити за кондензатори (полипироли соли) итн. Откривањето и проучувањето на ефектот на фотоспроводливоста кај полинитрилите, полифталоцианините, полифенилите и полифениленвинилените доведоа до формирање на фотодетектори врз основа на нив, а високата „чувствителност“ на спектралните карактеристики на полимерите кон оригиналната структура и полимерната компонента овозможи да се креирајте уреди со широк спектрален опсег. Точно, со праведност, треба да се признае дека нивниот квантен принос на луминисценција не надминува неколку проценти. Во 1980-тите, како резултат на студии за спроводливи полимери со висок степен на ориентација на полимерни синџири во рефус примерок (што овозможува да се користат карактеристиките на квази-еднодимензионалната структура на макромолекулите), квазикристални полимерни материјали со добиена е висока анизотропија на електричните карактеристики. Подвижноста на носителите на полнеж во нив достигна 5000–6000 cm2/V.s.
Разновидноста на структурите на полимерните системи и можностите за нивна модификација им обезбедија на истражувачите широк спектар на карактеристики на материјалот. Ова, природно, ги поттикна да се обидат да имплементираат активни електронски уреди базирани на полимерни материјали. Работата беше спроведена врз основа на теоријата на полупроводнички уреди, физичките и технолошките принципи на нивното формирање, кои беа прилично добро развиени до тоа време. Во исто време, во полимерните (молекуларните) системи, аналогот на нивото на Ферми беше енергетските состојби на носителите на највисоките и најниските незафатени нивоа на молекуларните орбитали и аналогот на процесот на допинг, што доведе до промена на положбата на нивото на Ферми, беше операцијата на хемиска супституција, што предизвика промена во потенцијалот за јонизација и афинитетот на електроните. Со менување на примарната структура на полимерот, можно е да се постават нивоата на молекуларните орбитали и, следствено, ширината на неговиот појасен јаз. Продолжувајќи со разгледувањето на аналогиите, истакнуваме дека системи на линеарни полимери со конјугирани врски можат да се користат како меѓусебно поврзување.
По кратка историска екскурзија, ќе го разгледаме „напредувањето“ на полимерите во светот на современите електронски уреди.

ОРГАНСКИ LED диоди СО ВИСОКА ОСВЕТЛИНА
Првите електронски уреди базирани на полимер беа диоди што емитуваат светлина (LED). Сега можеме да претпоставиме дека развојот на настаните речиси достигна ниво што ни овозможува да продолжиме кон индустриското производство на органски LED диоди, а задачата денес се сведува на создавање уреди со висока осветленост. Бројните студии во оваа област на различни начини доведоа до оптимална дизајн и технолошка опција, која се нарекува „транспарентна органска диода што емитува светлина“ (TOLED, Сл. 1). Нејзиниот принцип на работа е исклучително едноставен и се состои во генерирање на зрачење од полимерни молекули под влијание на електрично поле како резултат на рекомбинација на носачи во електролуминисцентниот слој. Структурно, ЛЕР мора да биде дизајнирана така што проѕирната електрода, слојот за пренос на дупки, електролуминисцентниот слој и брановодот се колку што е можно транспарентни, а слојот за пренос на електрони и негативната електрода обезбедуваат максимални пречки и спекуларна рефлексија на зрачењето. За да се подобри придонесот на рефлектираното зрачење во некои LED дизајни, на негативната електрода и се дава соодветна форма (на пример, конкавно параболично огледало) и се воведуваат оптички елементи базирани на леќи Френел формирани во пластичен слој.
Во моментов активно се проучуваат нови органски материјали за LED диоди. Така, во Fujitsu, врз основа на кополимер на пара- и метабутадиен, е добиен спроводлив полимер со максимален интензитет на зрачење со сооднос на пара- и мета-модификации од 2:1. Проводен полимер базиран на тиофен се користи како слој за вбризгување на дупки, што овозможува да се намали работниот напон на LED диоди при високи вредности на струја. Позитивната електрода, изработена од легура Mg–In, е многу стабилна и обезбедува високо ниво на вбризгување на електрони. На стаклена подлога се нанесува негативна електрода од индиум калај оксид.
Во иднина, компанијата планира да го користи овој органски LED со полисиликонски транзистори со тенок филм со ефект на поле за да создаде дисплеи способни за репродукција на „живи“ слики. Овие дисплеи ќе имаат висока осветленост и широк агол на гледање, а нивната цена ќе биде значително помала од онаа на моментално произведените AM LCD дисплеи.

СИСТЕМИ ЗА ПРИКАЖУВАЊЕ
До неодамна, LED диоди базирани на органски соединенија се користеа само во мобилни телефони и часовници, бидејќи имаше значителни технолошки проблеми во одржувањето на својствата на LED диодите при формирање на матрици. Развојот на технологии за „ниска температура“ ја отстрани оваа пречка. Интензитетот на работа и опсегот на задачите што се решаваат за да се создадат рамни индикатори и дисплеи врз основа на органски материјали се потврдени со истражување на полето на добивање на приспособливи LED диоди во боја со вертикална структура (Универзитет Принстон) и органски EL дисплеј во боја за ѕидни монтирани телевизори и мобилни мултимедијални системи (компанија Idemitsu Kosan), како и развој на пилот-производство на полимерни LED диоди базирани на технологијата на технологијата на Cambridge Display Technology (Uniax) и производство на LCD на пластични подлоги (Ricon). Светлосната ефикасност на современите органски LED диоди и уредите за прикажување информации врз основа на нив е 10–60 lm/W, осветленоста на светлосното зрачење достигнува 50.000 cd/m2, а ресурсот е 10 илјади часа (со осветленост од 150 cd/m2). .
Главното достигнување на 90-тите беше развојот на органски сини LED диоди, што овозможи да се премине кон создавање екрани во целосна боја засновани на тријади RGB. Еден од главните технолошки проблеми во овој случај е штетното дејство на процесите на технолошка обработка за време на формирањето на збир на LED диоди (првите елементи од комплетот се хемиски погодени при формирањето на вториот, а првите два се погодени од процес на производство на третиот елемент од комплетот). Присуството на дури и мали хемиски загадувачи (особено алкални метали) може да доведе до значително деградирање на својствата на електролуминисцентниот материјал и да предизвика значителни промени во интензитетот на сјајот и спектралните карактеристики, намалувајќи го работниот век на уредот. Технологијата за маскирање за заштита на слоеви при последователно производство на тријадни елементи неизбежно води до ограничување на резолуцијата на екранот.
Овој проблем е успешно решен со преминување кон технологија без маски за производство на тридимензионална, а не рамна структура. Користејќи ја оваа технологија, тријадните елементи се направени во форма на три или тетраедрални пирамиди, формирани со притискање на пластична подлога. Органски материјал се нанесува на одредено лице на сите пирамиди на матрицата користејќи насочено таложење на пареа, обезбедувајќи зрачење со иста боја. Потоа подлогата се ротира под соодветен агол (120° или 90°) и се таложи материјалот од следната луминисцентна боја. На четвртата страна, се формира слој од една од боите со намалена осветленост, што ви овозможува да ја проширите гамата на бои што ја репродуцира екранот, како и да го стабилизирате балансот на белата боја за време на работата. Овој дизајн обезбедува речиси трикратно зголемување на резолуцијата. Полимерен слој со пирамиди и контактни отвори се нанесува на врвот на колото за адресирање на активна матрица на транзистори со ефект на поле со тенок филм (TFT), произведени заедно со каблите на столбовите на стаклена подлога. Сите компоненти на технолошката рута се веќе разработени, а програмерите се надеваат дека ќе произведат прилично евтини дисплеи со високи перформанси.
Развојот на ултра тенки органски дисплеи е од несомнен интерес. Технолошкиот институт во Масачусетс разви технологија за производство на дисплеи на слој од пластика со дебелина од само 100 микрони, кој може да се тркала во ролна со радиус од 5 mm без да се менуваат неговите својства. Сликата е формирана во слој од електрофоретска паста нанесена на мрежа од електроди на флексибилна полимерна подлога. Пастата се состои од микрокапсули кои содржат бели (титаниум диоксид - стандардна компонента на обично бело) и црни (мешавина од органски бои) микрочестички суспендирани во стопен полиетилен. Обвивката на капсулата е подложена на посебен третман за да се обезбеди нејзината транспарентност. Просечната големина на капсулата е околу 50 микрони. На врвот на слојот од паста се нанесува решетка од проѕирни електроди. Кога се применува напон од еден поларитет, негативно наелектризираните бели честички се движат кон врвот на капсулите и ги блокираат црните честички. Како резултат на тоа, капсулата станува бела. Кога се менува поларитетот, белите честички се движат кон дното на капсулата и нејзината боја станува црна. Резолуцијата на таков дисплеј го одредува чекорот на решетката на електродата, а веќе за првите примероци беше споредлива со стандардните вредности за ласерски печатачи. Потрошувачката на енергија на дисплеј со дијагонала на екранот од 30 cm е 12 mW, времетраењето на репродукцијата на информациите кога ќе се отстрани напонот не е ограничено (до ново адресирање). Сликата може да се смени повеќе од 107 пати без понижувачки перформанси. Врз основа на овој дизајн, може да се создаде „електронска хартија“.
Xerox најави подготовка на копири засновани на „електронска хартија“ - ултра тенки дисплеи направени со технологија Gyricon, што вклучува употреба на маслени шуплини со пластични сфери. Кога се применува напон, сферите се ориентирани во однос на површината или со црна или бела страна. За репродукција на сликата, доволни се две AA батерии. Дозволено е корекција и ажурирање на информациите. Единствениот недостаток на дисплеите е потребата за заштита од електрични пречки, особено од статички електрицитет. „Електронската хартија“, исто како и обичната хартија, е лесна, флексибилна и лесна за читање од кој било агол. Покрај тоа, тој има такви нови својства како што е способноста да се ажурираат информации неколку илјади пати и да се користи електронски покажувач. Според специјалистите на Xerox, цената на таквата хартија нема да надмине 25 центи по лист А4.

ОРГАНСКИ ТРАНЗИСТОРИ со тенок филм
Кога се произведуваат дисплеи, заедничкото формирање на TFT со користење на традиционална технологија и органски LED диоди е тешко поради процесите на висока температура кои предизвикуваат деградација на својствата на органските материјали. TFT базирани на органски материјали може да се произведуваат на пониски температури и во исто време да користат евтини пластични подлоги наместо скапо стакло, што значително ќе ја намали цената на целиот производ. Развојот на органската TFT технологија отвора големи можности за создавање ултра лесни и ултра рамни дисплеи со висока флексибилност и јачина. Решавањето на технолошките прашања за производство на TFT врз основа на органски материјали ќе овозможи да се произведат сите елементи на екранот користејќи слични технолошки процеси, што ќе ги намали трошоците за производство и ќе ја намали хетерогеноста на користената опрема. Во однос на нивните карактеристики, современите органски TFT не се инфериорни во однос на стандардните базирани на аморфни силиконски филмови. Типичната структура на органскиот TPT е прикажана на сл. 2.
Прототип TFT базиран на пентацен со должина и ширина на портата од 5 и 500 μm, соодветно, и дебелина на диелектричната порта од 140 nm, имаше праг напон од 10 V и подвижност на заситување од 1,7 cm2/V.s (рекорден резултат за органски транзистори). За да се намали струјата на истекување помеѓу поединечни TFT, се користи специфична Corbino топологија, во која изворната електрода формира затворен прстен околу активниот регион на TFT, во чиј центар се наоѓа електродата за одвод. Со овој дизајн, портата ја контролира целата струја што тече од одводот до изворот, што резултира со сооднос на струја на вклучување и исклучување од ~ 108, како и ниски струи на истекување (струјата на исклучена состојба е блиску до нивото на бучава).
Така, може да се каже дека денес е решен технолошкиот проблем за формирање уреди за прикажување информации целосно од органски материјали.

ОПТОЕЛЕКТРОНИКА И ЛАСЕРСКО ИНЖЕНЕРСТВО
Напредокот во создавањето на органски LED диоди и системи за прикажување на информации, исто така, го стимулира развојот на уреди со електрично возбудување врз основа на органски полимери, еден од најперспективните материјали за производство на нови типови на оптоелектронски IC. Главните предности на таквите ИЦ се ниската цена и прилично едноставната технологија погодна за совладување на масовното производство. Истражувањата во оваа област се спроведуваат од многу компании во САД, Германија, Австрија и Италија. И денес, индустриските полимерни светлосни водилки веќе се користат во стандардните хибридни оптоелектронски кола.
Проучени се повеќе од десетина полимери со полупроводнички својства погодни за ласерско генерирање во целиот видлив опсег. Од особен интерес за програмерите се конјугирани полимери со странични синџири, бидејќи страничните синџири се тие што ја одредуваат ширината на енергетската лента, т.е. бранова должина на зрачење. Поради високото изумирање на создаденото зрачење (филмовите со дебелина од само 0,1 μm апсорбираат 90% од зрачењето), слабата зависност на квантната ефикасност на фотолуминисценцијата од количината на активниот полимер во резонаторот и големото енергетско поместување помеѓу апсорпцијата и емисиони спектри (што го олеснува постигнувањето инверзија на населението), конјугирани полимери Дури и при мали дебелини тие се погодни за формирање на активен медиум на ласерот. Високата растворливост на конјугирани полимери со странични синџири во конвенционалните органски растворувачи во голема мера ја поедноставува технологијата на таложење и формирање на потребните слоевити филмски тополошки структури, вклучувајќи ги традиционалните методи на фотолитографија, добро воспоставени во микроелектрониката.
Еден од најсериозните проблеми во производството на уреди со електрично возбудување на полимерните филмови е високата густина на прагот на генерирана струја (~ 1 kAh cm2). Се решава со воведување дистрибуирана повратна информација и дистрибуиран рефлектор на Браг (DRB) со цел да се зголеми факторот на квалитет на резонаторот. ROB ја извршува функцијата на резонаторско огледало. Се формира со наизменични полимерни слоеви со различна дебелина со ниски и високи вредности на индексот на рефракција. Бидејќи должината на шуплината варира во зависност од брановата должина на зрачењето, ROB со слична структура може да поддржува мултимодно ласирање.
Пример за успешна употреба на полимери во ласерската технологија е првиот електрично возбуден органски ласер од Lucent Technologies, погоден за индустриско производство. Направен е на тетраценски кристали, чии молекули содржат четири бензенски прстени. Структурата на полето (канал широк 25 μm и долг 200-400 μm) е создадена на тетрацени слоеви со дебелина од 1-10 μm, добиени со таложење на диелектрична подлога од фазата на пареа во проток на инертен гас. Како диелектрик се користел слој од алуминиум оксид со дебелина од 0,15 μm, а контролните електроди биле направени од цинк оксид легиран со алуминиум. Структурата е рамнински повеќемодни брановоди со вкупни внатрешни загуби од ~ 100 cm-2. Ласерската празнина беше формирана со расцепување на тетрацен кристал за да се формираат лица со рефлексија од ~ 8%. При висока густина на струјата на вбризгување во шуплината, беше забележано канализирање на зрачењето на бранова должина од 575,7 nm со засилување при работа во мултимоден режим. На собна температура, ласерот работи во пулсен режим, а на 200K - во режим на континуирано зрачење. Со намалување на загубите на рефлексија поради воведувањето на дистрибуирани повратни информации и ROB, можно е работење во континуиран режим и на собна температура. Предноста на ласерот е можноста за подесување на фреквенцијата, бидејќи емисиониот спектар на тетрацен е доста широк.
Ласерите базирани на органски материјали се многу поевтини од полупроводничките ласери, а широкиот избор на материјали им овозможува да покриваат значителен спектрален опсег. Можеме со сигурност да предвидиме дека таквите ласери ќе најдат широка примена во оптичките мемории и ласерските печатачи во блиска иднина.

ИНДУСТРИСКИ РАЗВОЈ НА ПОЛИМЕРНА ТЕХНОЛОГИЈА
И покрај хетерогеноста на користените полимерни материјали, повеќето операции за создавање уреди и структурни елементи се слични по структура и можат во голема мера да се унифицираат. Ваквите операции, пред сè, ги вклучуваат процесите на таложење (апликација) на полимерните слоеви и процесите на обликување. Веќе беше наведено погоре дека за повеќето материјали со тенок и дебел филм, може да се користат добро воспоставените процеси на таложење на пареа, печатење на екран и литографија (за растворливи композиции).
Револуционерен пристап кон развојот на технологијата за масовно производство на електронски уреди базирани на органски филмови покажа калифорниската компанија Rolltronics. Според неговата технологија, наречена ролна до тркалање (од ролна до ролна), циклусот на транспортер за производство користи голема ролна со флексибилна пластика, која ја игра улогата на подлогата на идниот уред (сл. 3). Должината на пластичната лента е повеќе од 300 m, а ширината може да надмине 1 m. Последователно нанесување и формирање на слоеви се врши во специјализирани комори за обработка кои го обезбедуваат целиот технолошки циклус. Програмерите веруваат дека ќе можат да формираат структури на температури не повисоки од 100–125 ° C, што ќе овозможи користење на повеќето современи полимерни материјали.
Заедно со Iowa Thin Film Technologies, Rolltronics планираше да лансира производствена линија „roll-to-roll“ до крајот на 2001 година. Главниот елемент на идните дизајни - транзистор со тенок филм - беше избран како „тест на пенкалото“. Покрај TFT, компанијата има намера да произведува мемориски кола, уреди за напојување и елементи за прикажување, како и сите компоненти на електронски книги и електронска хартија. Технологијата Roll-to-roll е погодна за формирање на рамни екрани, LED панели за осветлување и информации, соларни ќелии, оптоелектронски уреди и полупроводнички ласери. Претставниците на компанијата ја нарекуваат оваа технологија пробив во иднината, нагласувајќи ја нејзината исклучително висока ефикасност и продуктивност, што ќе ни овозможи да преминеме на масовно производство на нови видови електронски уреди и нагло да ги намалиме нивните трошоци.

РАЗВОЈНИ ПРОСПЕКТИ
Физичките принципи и технологијата на употребената „полимерна електроника“ се првиот природен чекор кон молекуларната електроника. Ова се објаснува со фактот дека, за разлика од класичната електроника во цврста состојба, каде што се разгледуваат својствата на кристално тело и се формираат активни структури во неговиот волумен, во случај на употреба на полимери потребно е да се земат предвид својствата на молекулите . Во транзицијата кон вистинска молекуларна електроника, кога активниот елемент е веќе единечни молекули, главната задача е изборот на технолошки метод на точка (локално) влијание врз молекулата и менување на нејзината примарна хемиска структура. Секако, ако технолошката алатка не е способна локално да го модифицира оригиналниот молекуларен систем на атомско ниво, треба да се развијат методи за негова самоконструкција и саморегулација, како што се случува во природата во животниот циклус на вирусите и бактериофагите. Како прво приближување, тие го вклучуваат методот Langmuir-Blodgett за производство на еднослојни филмови или методот на самосклопени монослоеви на олигомери на метална подлога (Self-assembled monolayers - SAM). Овие методи може условно, по аналогија со технологијата на уреди со цврста состојба, да се класифицираат како „еднослојна“ епитаксија.
Една од опциите за премин кон молекуларна електроника е „хибридната“ технологија, кога „молекуларните елементи“ се користат со користење на класични електронски методи. Пример за таква комбинирана технологија е предложената дизајн на IBM за употреба на јаглеродни наноцевки за создавање транзистори кои се 500 пати помали по големина од модерните силиконски уреди. Покрај тоа, во отсуство на кислород, тие можат да издржат загревање до 1000 ° C.
Современите алатки за модифицирање и следење на атомските структури - микроскопија со атомска сила (AFM) и микроскопија за скенирање тунели (STM) - можат да обезбедат технолошки барања на атомско ниво. Но, за жал, и AFM и STM се секвенцијални методи со не многу висока пропусност и во блиска иднина ќе се користат само како лабораториска алатка. Сепак, со помош на AFM и STM за прв пат беа успешно креирани уредите за молекуларна електроника. Овие методи овозможуваат да се реши најтешката задача за склопување на молекуларни електронски уреди - формирање на контакти. Теоретските модели на AFM и STM методите за формирање структури и мерења сè уште се развиваат, а овде може да се очекуваат уште многу откритија. Сепак, имплементацијата на методите на молекуларна електроника погодни за индустриски развој е работа на иднината.

ЗАКЛУЧОК
Сето горенаведено покажува дека електрониката е на работ на „полимерна“ револуција. Во следните три до пет години ќе може да се „печатат“ електронски производи како тапет. Ваквите пластични „тапети“ ќе се користат за создавање екрани и дисплеи во целост во боја, соларни панели и бели LED панели за осветлување, електронска хартија и многу повеќе. Новите електронски производи засновани на полимерни материјали, кои ќе се појават во следната деценија, ќе направат револуција во условите за работа на електронската опрема, ќе ги прошират можностите на информатичката технологија и ќе создадат предуслови за транзиција кон нови принципи на организација, учење, живот и забава. . Задачата на руската електроника е да не го пропушти овој пробив и да се вклучи во развојот на полимерната електроника на достоен начин.

Литература
Свет со ласерски фокус, 2001 година, с.37, бр.3, стр. 41–44.
Semiconductor International, 2000, т.23, бр.8, стр.46.
Semiconductor International, 2001, с.24, бр.6, стр.50.
Semiconductor International, 2001, с.24, бр.8, стр.40.
Технологија на цврста состојба, 2000 година, т.43, бр. 3, стр. 63–77.
Photonics Spectra 2000, т.34, бр.5, стр.44.
Весник на Американското хемиско друштво, 2000 година, т.122, бр. 2, стр. 339–347.
Странска електронска технологија, 2000 година, број 1, стр. 66-72.

Статија за натпреварот „био/мол/текст“: Научниците долго време сонуваа да ги претворат животните и растенијата во киборзи контролирани со електрични сигнали и се обидуваат да го направат тоа на различни начини. Така, пред околу 10 години, се појави ново научно поле - органска биоелектроника - во кое електрично спроводливите полимери дејствуваат како посредници помеѓу живите суштества и компјутерите. Далечински управувач на бојата на листовите од роза, вештачки неврон и насочен третман на болка - првите резултати од овој троен сојуз се веќе импресивни.

Спонзор на номинацијата - .

Генералниот спонзор на натпреварот, според нашиот краудфандинг, бил претприемач Константин Синјушин, за што има голема човечка почит!

Спонзор на наградата од публиката беше компанијата Атлас.

Покровител на објавувањето на оваа статија е Андреј Александрович Киселев.

Сите живи организми се мали роботи или компјутери. Само наместо вообичаениот електрицитет - електроните што минуваат низ жиците до излезот и назад - ние сме контролирани од нервни импулси, струи на наелектризирани молекули наречени јони. И „копчињата“ во живите електрични кола не се притискаат со прсти, туку од специјални супстанции - невротрансмитери. Кога нивната концентрација надминува одредена граница, во клеточните мембрани на невроните започнува синџир на биохемиски реакции, кој завршува со возбудување на нервниот импулс.

Сега научниците се обидуваат да ги „венчаат“ компјутерите во нас со вообичаените силиконски чипови: интерфејсите на мозокот-компјутерот веќе се способни да ја препознаат активноста на нервните клетки и да ги претворат во значајни команди за електроника. Така, користејќи ја моќта на мислата, можете да играте едноставни игри, да движите роботска протетичка рака или дури и да контролирате квадкоптер. Сепак, сите овие уреди сè уште страдаат од грешки и неточности - не е лесно да се комбинираат електронски и јонски струи во еден уред.

Електрично спроводливите полимери, кои истовремено ги спроведуваат двата типа на струја (сл. 1), можат да станат „преведувачи“ од живиот јазик на јазикот на микроциркулите. Откриени во 70-тите години на минатиот век, овие материјали беа активно проучувани од многу научници: тие се користеа за правење транзистори, соларни ќелии, органски диоди што емитуваат светлина (OLED) и други органски електронски уреди.

Слика 1. Шематски приказ на органски ( десно) и неоргански ( лево) полупроводници во контакт со електролит.Големините на наелектризираните јони се многу поголеми од растојанијата помеѓу атомите во неорганските полупроводници и затоа јонската спроводливост е невозможна кај овие материјали. Во исто време, карактеристичните големини на празнините помеѓу синџирите на макромолекули на конјугирани полимери се споредливи со големини на хидрирани јони и затоа е можна јонска спроводливост во оваа класа на соединенија.

Сега предностите на електрично спроводливите полимери - флексибилност, едноставност и варијабилност на синтезата, како и биокомпатибилност и јонска спроводливост - ги користи органската биоелектроника - многу младо поле на науката за материјалите, кое веќе има со што да се пофали.

Дијагностика одвнатре

Работата на многу интерфејси на мозок-компјутер се заснова на земање ЕЕГ: капа со електроди е прикачена на главата на една личност, во која, под влијание на јонските струи што течат во мозокот, се појавуваат сопствени електронски струи. Во труд од 2013 година, научниците од Франција предложија користење на органски електрохемиски транзистори за истите цели.

Конвенционалните полупроводнички транзистори се главните компоненти на сите електрични логички кола, еден вид електронски копчиња со три контакти. Релативно големата струја што тече низ нив од еден до друг контакт може да се контролира со мал сигнал (многу помала струја или напон во случај на транзистор со ефект на поле) применет на третиот контакт. Со собирање на многу транзистори во едно коло, можете да ги засилувате, ослабувате и конвертирате сите електрични сигнали или, со други зборови, да обработувате информации.

На сличен начин работат и органските транзистори, со кои истражувачите забележале епилептична активност кај живи лабораториски глувци. Третиот контролен контакт во овој транзистор беше направен од проводен полимер и вметнат директно во мозокот на глодарите. Полимерот ја промени својата структура (и, како резултат на тоа, спроводливоста) заедно со флуктуациите во електричната активност на нервните клетки, и како резултат на тоа, дури и малите карактеристични промени во јонските струи во мозокот „киборг“ доведоа до забележителни разлики во струјата тече од влезниот контакт на транзисторот кон излезот (сл. 2).

Слика 2. Ин вивоснимање на електричната активност на мозокот користејќи органски транзистори. РозоваБојата ја покажува зависноста земена со користење на органски електрохемиски транзистор, сина боја- пластична електрода, црна- метална електрода. Забележете дека последните две електроди го регистрираат електричниот сигнал со потенцијални скокови, а транзисторот - со тековни скокови во електрично спроводливиот канал.

Во својот експеримент, Французите покажаа дека органските транзистори овозможуваат многу попрецизно снимање на електричната активност на мозокот од нивните современи неоргански колеги. Во експериментите на други научни групи, органските транзистори успешно се користат за земање ЕКГ или, на пример, за одредување на концентрацијата на млечна киселина, гликоза и други биомолекули.

Пластични неврони

Денес, невролошките и психијатриските болести се третираат главно со помош на лекови, но изборот на нивната доза, прецизно доставување на лекот до одредени клетки и истовремено земајќи ги предвид неговите несакани ефекти врз различни процеси во телото може да биде многу тешко. . Голем тим шведски научници од неколку институти предложи да се решат овие проблеми со користење на истите електрично спроводливи полимери, или подобро кажано, со користење на друг органски биоелектронски уред - органска електронска јонска пумпа способна да пумпа јони од еден медиум во друг.

Во својата работа, истражувачите проучувале лабораториски стаорци во кои прво предизвикале невропатска болка (нејзината причина не била надворешен надразнувач, туку нарушеното функционирање на самите неврони), а потоа го третирале со насочена инјекција на невротрансмитер. ГАБА (гама-аминобутерна киселина), со што се намалува иритацијата на централниот нервен систем. Минијатурна органска пумпа (околу 12 cm во должина и 6 mm во дијаметар) беше вметната во 'рбетниот мозок на стаорци, а нејзиниот резервоар беше исполнет со GABA (сл. 3). Со примена на надворешен електричен напон, молекулите на ГАБА почнаа да излегуваат преку четири полимерни канали кои спроведоа јони во меѓуклеточниот простор (видео 1).

Слика 3. Вградлива органска електрохемиска пумпа.А - фотографија на уредот, Б - шематски приказ на уредот, лево - електричен контакт, во центарот - резервоар со ГАБА, десно - екскреторни канали. Вкупната должина на уредот е 120 mm, дијаметарот на резервоарот е 6 mm. C - четири органски електрохемиски излези се наоѓаат на точките каде што гранките на ишиатичниот нерв влегуваат во 'рбетниот мозок.

Видео 1. Органоелектронска јонска пумпа

Како резултат на тоа, стаорците ја изгубија болката (ова беше проверено со помош на тактилен тест: на шепите на стаорците беа нанесени еластични нишки со различна вкочанетост и се следеше притисокот на кој животното ја повлече шепата), и не беа забележани никакви несакани ефекти . Со сите други методи за лекување на невропатска болка со употреба на ГАБА, лекот се инјектира во 'рбетниот мозок во голема доза, која се дистрибуира низ нервниот систем и, освен што ја потиснува болката, доведува до нарушувања на одење, летаргија и други несакани ефекти.

Паралелно со оваа работа, истата група истражувачи го направија првиот вештачки неврон базиран на полимер. Комбинираше јонска пумпа со биосензори чувствителни на глутаминска киселина(најчестиот возбудлив невротрансмитер) и ацетилхолин(невротрансмитер кој пренесува сигнал од невроните до мускулното ткиво). На пример, во еден од експериментите, „пластичен“ неврон го следел нивото на глутамат во петриевата чинија и кога ќе се надмине одреден праг, во него се возбудувала струја, која го отворила резервоарот на јонската пумпа, ослободувајќи ацетилхолин. во околината.

Работата на вештачки неврон е многу слична на тоа како функционираат реалните: нервниот импулс е возбуден во еден од нив и поминува низ целата клетка до точката на допир со друг неврон, каде што се ослободува глутаминска киселина, која, како што беше , притиска копче и го возбудува следниот неврон (сл. 4) . Така, по синџирот на неврони, импулсот стигнува до мускулната клетка, која повеќе не е возбудена од глутаминска киселина, туку од ацетилхолин. Пластичниот неврон создаден од Швеѓаните може добро да ги повтори овие дејства и да пренесува сигнали до други клетки. Во експериментот, тоа беа SH-SY5Y клетки на невробластом, чиешто активирање беше следено со карактеристични зголемувања во концентрацијата на јоните при врзувањето на ацетилхолинските рецептори.

Слика 4. Шемата за претворање на хемиски сигнал во електричен сигнал и назад во вештачки полимерен неврон е идентична со шемата за работа на жив неврон. Биосензор ( претставена во зелена боја) реагира на зголемување на концентрацијата на еден невротрансмитер ( портокалови точки), кој генерира проток на електрони што ја возбудува органската електрохемиска пумпа ( претставена во сина боја), ослободувајќи друг невротрансмитер ( сини точки).

Од електронски рози до најзелената енергија

Истражувањата на глувци, стаорци и други лабораториски животни мора да бидат одобрени од етичките комисии и затоа најхрабрите експерименти во органската биоелектроника се полесни за извршување на растенијата. Така, на крајот на 2015 година, истата шведска група ја направи првата киборг роза. Навистина, сè уште не може да направи ништо спектакуларно - ниту да се отвори со притискање на копче на контролната табла, ниту да ја промени бојата во зависност од влажноста на околината, ниту да го заземе светот, но истражувачите успеаја да направат нешто интересно.

Во првиот експеримент, исечената роза беше ставена во вода со растворен електрично спроводлив полимер, кој го подигна сечењето и формираше проводен канал во розата. Потоа, научниците ги поврзаа електричните контакти на краевите на каналот и вметнаа контролна електрода - златна жица обложена со проводен полимер - во рачката. Така во розата се составува еден вид органски транзистор. Во овој случај, беше можно да се поврзат неколку контролни електроди на еден канал одеднаш и да се направи едноставно логичко коло низ кое тече струја само кога ќе се применат одредени контролни напони на двете златни жици.

Во вториот експеримент, воден раствор на друг електрично спроводлив полимер, кој може да ја промени бојата кога се применува надворешен напон, беше испумпан во листовите од роза со помош на шприц. На листот беа нанесени електроди, струјата беше вклучена и воила: вените на листот добија синкаво-зелена нијанса. Токму полимерот вметнат во нив од безбоен стана сино (видео 2). Во исто време, кога напнатоста беше отстранета, листот повторно стана здрава зелена боја.

Така, научниците покажаа дека со помош на едноставна технологија е можно да се создадат едноставни електронски кола во растенијата. Во иднина, ова ќе овозможи да се контролира нивната физиологија и, на пример, да се постигне зголемена продуктивност без генетски модификации или дури и да се направат мали електрани користејќи ја енергијата на фотосинтезата. Се разбира, засега ова звучи премногу скапо, но еден ден технологиите на органската биоелектроника ќе овозможат насочена контрола на секоја фабрика, а не на целата популација одеднаш.

Биоелектронска иднина

Првите експерименти покажаа дека уредите за органска биоелектроника се доста способни да примаат, пренесуваат и обработуваат биоелектрични сигнали. Што е следно? Сега тие научија да ги прават полимерните материјали биокомпатибилни и биоразградливи, и затоа секој жив организам буквално може да се наполни со чипови врз основа на нив. Останува само да ги научиме безжичен пренос на информации, а внатре во човечкото тело ќе биде можно да се создаде локална мрежа од сензори кои постојано ќе следат различни медицински индикатори како што се нивото на гликоза, отчукувањата на срцето и електричната активност на избраните неврони, а потоа пренесуваат нивните сигнали до вградените медицински роботи базирани на истите јонски пумпи, така што тие ќе почнат да се справуваат со проблемот.

Ако идејата да станете таков киборг воопшто не ви е по волја, можете едноставно да проголтате таблета со вграден флексибилен микросклоп - врз основа на киселоста, температурата и концентрацијата на различни супстанции, таа точно ќе пресмета каде да пуштете го лекот и, откако направивте добро дело, едноставно ќе се вари во нас како парче шеќер.

Изолационите својства, неможноста да се спроведе електрична струја, долго време се сметаа за квалитети природно својствени за повеќето полимерни материјали. Навистина, изолационите својства на полимерите се нивната најважна предност, што одредува бројни практични примени.

Меѓутоа, во последните дваесет години, откриени се нови полимерни материјали со електрична спроводливост само малку пониска од онаа на металите. Нивното откритие беше вистинска сензација, бидејќи може да доведе до појава на нови видови електронски и оптоелектронски уреди и го означи почетокот на истражувањето на полето на синтеза и проучување на својствата на таквите материјали. Истражувачите мора да одговорат на две главни прашања: 1) каков е механизмот на спроводливост на полимерните соединенија и 2) каква е врската помеѓу составот, структурата на мономерот и спроводливоста на полимерното соединение.

Спроводливите полимерни материјали се поделени во две големи групи: јонски спроводливи полимери или цврсти полимерни електролити и електронски спроводливи полимери, кои се предмет на овој напис. За возврат, полимерите со електронска спроводливост се поделени на таканаречени органски метали (полимери со спроводливост слична по механизам на електричната спроводливост на металите; овој тип полимерни соединенија во англиската литература го има широко распространето име „спроводни полимери“ - „спроводливи полимери “, кои ќе ги користиме) и редокс полимери, односно соединенија во кои се врши пренос на електрони главно поради појавата на реакции на редокс помеѓу соседните фрагменти од полимерниот синџир.

Проводни полимери

Првиот проводен полимер, од кој започна развојот на истражувањето во оваа насока, беше полиацетилен [(CH)n] (сл. 1). За прв пат беше синтетизиран во форма на цврсти сребрени филмови во 1974 година од ацетилен од Хидеки Ширакава на Технолошкиот институт во Токио. Во 1977 година, тој, истовремено со научници од САД, утврди дека делумната оксидација на полиацетилен со молекуларен јод или други реагенси ја зголемува неговата спроводливост за 10 9 пати:

(CH) n + 0,5I 2 – (CH) + n (I 3) - 0,33

Во делумно оксидирана форма, полимерот може да се смета како сол која се состои од позитивно наелектризирани јони на полимерот и контрајони рамномерно распоредени низ неговата структура, одржувајќи ја целокупната електрична неутралност на системот.

Многу спроводливи полимери може да се подготват од мономери со електрохемиска оксидација на површината на инертна електрода. Тие вклучуваат, на пример, полипирол (види Сл. 1), добиен за прв пат во 1980 година со методот на електрохемиска оксидација на пирол во раствор од ацетонитрил кој содржи тетрабутиламониум перхлорат за да му даде електрична спроводливост, од истражувачот на IBM, Арт Дијаз:

Ориз. 1. Примери на спроводливи полимери и споредба на нивната спроводливост со спроводливоста на некои супстанции

Полимерите произведени електрохемиски на површината на електродата може да се претворат од спроводлива (оксидирана) во непроводлива (намалена) состојба со менување на потенцијалот на електродата. Транзицијата на полимер од оксидирана во неутрална редуцирана состојба е придружена со ослободување на контрајони кои го компензираат полнежот од полимерот во растворот на електролитот во кој се изведува процесот, и обратно (сл. 2).

Ориз. 2. Оксидација и редукција на филм од проводен полимер: а - намалена неутрална состојба на полимерот - изолатор; б - делумно оксидирана состојба на полимер - проводник

Трансфер на полнеж во спроводливи полимери

Дозволете ни да го дефинираме Pn како периодично повторувачки фрагмент од полимерен синџир способен да разменува вкупно полнење со редокс партнер (или електрода на електрохемиски систем) и, како резултат на тоа, да премине од една во друга редокс состојба (т.е. оксидира или редуцира ). Треба да се забележи дека структурната, периодично повторувачка единица на полимерниот синџир P и предметниот фрагмент Pn не се секогаш идентични. Вториот може да содржи n структурни фрагменти P, а n не може да биде цел број.

Како резултат на редокс реакцијата која вклучува Pn, се формира радикален катјон (анјон), а потоа, можеби, ди-катјон (дијанион):

Исто како и во хемијата на редокс реакциите на мономерните молекули, радикалниот катјонски фрагмент на полимерот може да влезе во реакција на диспропорционалност:

Реакцијата на несразмерност зависи од температурата и другите параметри, вклучувајќи ја природата и природата на интеракцијата со контрајоните. Така, во истиот полимер, поради реакции на диспропорција, може да се појават различни редокс состојби на фрагменти.

Радикалните јони и дијони формирани во соединенија со разгранет систем на n-врски се способни да формираат комплекси за пренос на полнеж со оригиналните ненаполнети соединенија (ако тоа не е спречено од просторни фактори). Формирањето на таков комплекс од два фрагменти е прикажано со следнава равенка:

Важно е да се разбере дека електронските својства на полимерниот материјал се одредуваат и од интеракцијата на поединечните молекули на еден синџир и од интеракциите за пренос на полнеж помеѓу фрагменти од различни синџири.

Кога електронот се отстранува од валентниот појас на полимер со систем на конјугирана врска, добиената празнина („дупка“ или радикален катјон) не подлежи на целосна делокализација, како што би се очекувало врз основа на класичната теорија на појасот. Се случува само делумна делокализација, која се шири на фрагментот Pn и предизвикува структурна деформација на овој регион на полимерот. Нивото на енергија што одговара на добиениот радикален катјон во суштина го претставува нивото на дестабилизираната сврзувачка орбитала; затоа, таа е повисока од енергијата на горната граница на валентниот опсег и паѓа во јазот на опсегот (сл. 3). Ова зголемување на енергијата наликува на зголемувањето на енергијата на исполнета сврзувачка молекуларна орбитала по отстранувањето на електронот од неа.

Радикалниот катјон делумно делокализиран по полимерниот фрагмент се нарекува поларон. Се стабилизира со поларизирање на животната средина, живеејќи според нејзиното име.

Ориз. 3. Шема на појава на нивоа на енергија на поларон и биполаронски енергетски појаси

Ако следниот електрон се отстрани од веќе оксидиран полимер кој содржи поларон, настаните може да се развијат на два начина:

1) се отстранува електрон од друг дел од полимерниот синџир и се појавува нов поларон, независен од првиот;
2) се отстранува електрон од оној дел од полимерниот синџир каде што веќе е присутен поларон (зборуваме за неспарен електрон формиран при формирањето на првиот поларон) и се формира дидикација наречена биполарон. Првично, оксидацијата на полимерот главно резултира со формирање на поларони. Како што се зголемува оксидацијата на полимерот, можно е и формирање на биполарони.

Појавата на биполарон предизвикува и структурна деформација на околината. Двата позитивни полнежи на биполарон не се независни, тие функционираат како пар. И полароните и биполароните се мобилни и, под влијание на електричното поле, можат да се движат по полимерниот синџир со реорганизирање на двојни и единечни врски во конјугираниот систем:

Кога се формираат голем број биполарони, нивните енергетски нивоа почнуваат да се преклопуваат, формирајќи тесни биполаронски појаси во рамките на јазот на лентата (види Сл. 3). Во случај на полипирол, при ниски нивоа на оксидација на полимер, се јавува формирање на парамагнетни поларони. Како што се зголемува нивото на оксидација, полароните се претвораат во биполарони, од кои секој е локализиран на приближно четири пиролски прстени. Наполнет фрагмент од четири пиролски прстени може да се движи по полимерниот синџир поради реорганизација на системот на двојни и единечни врски. Поларонот и биполаронот во молекулата на полипирол се прикажани подолу:

Поларонската теорија на спроводливост сега е препознаена како главен модел на пренос на полнеж во полимерите. Сепак, треба да се забележи дека е развиен за полимери со идеална структура недостижна во реални услови.

Редокс полимери

Повеќето од редокс полимерите познати до денес се метални комплексни соединенија, кои обично се подготвуваат со електрохемиска полимеризација на почетните мономерни комплексни соединенија кои имаат и октаедрална и квадратна рамна конфигурација. Како пример на редокс полимери добиени од октаедарски почетни комплексни соединенија, можеме да наведеме полипиридински комплекси со состав поли-, каде што Me = Co, Fe, Ru, Os; L = v-bpy (4-винил-4"-метил-2,2"-бипиридин), фенантролин-5,6-дион, 4-метилфенантролин, 5-аминофенантролин, 5-хлорофенантролин (x+y =3). Овие соединенија се добиваат со електрохемиска редукција на мономерните комплекси, во кои првично се формираат радикални меѓучестички, кои потоа комуницираат една со друга или со молекулите на оригиналниот комплекс. Ова е илустрирано подолу со формирање на полимер од октаедрален комплекс со 5-хлорофенантролин лиганди:

Вкрстеното поврзување на почетните молекули се случува во три насоки во согласност со нивната геометрија, како резултат на што полимерот има тродимензионална структура. Пример за редокс полимери добиени од квадратни рамни метални комплекси се поли-соединенија, каде што Шиф се тетрадентатни (односно, формирајќи четири врски со металниот центар) Шифови бази:

Овие полимерни комплекси се добиваат со електрохемиска оксидација на мономерните молекули. Формирањето врски помеѓу фрагменти може, до прво приближување, да се разгледа од гледна точка на интеракцијата донор-акцептор помеѓу лигандот на една молекула и металниот центар на друга; Како резултат на тоа, се јавува формирање на таканаречени еднодимензионални или наредени макромолекули. Однадвор, збирката на такви макромолекули е цврста проѕирна фолија на површината на електродата, која има различна боја во зависност од природата на металот и присуството на супституенти во структурата на лигандот.

Пренос на полнеж во редокс полимери

Редокс центрите (атомите вклучени во редокс реакции во полимер) се метални јони, кои можат да бидат во различни состојби на полнење. Така, комплексите на метали кои имаат само една можна состојба на полнење (цинк, кадмиум) не формираат редокс полимери. Неопходен услов за спроводливост на редокс полимерите е присуството во околината на лигандот на комплексите на разгранет систем на конјугирани n-врски, кои служат како спроводливи мостови помеѓу редокс центрите. Кога редокс полимерот е целосно оксидиран или целосно редуциран, односно сите негови редокс центри се во иста состојба на полнење, преносот на полнеж долж полимерниот синџир е невозможен, а спроводливоста е блиску до нула. Кога редокс центрите имаат различни состојби на полнење, размената на електрони е можна меѓу нив, слично на она што се случува во растворите за време на редокс реакциите. Оттука, спроводливоста на редокс полимерите е пропорционална со константата на брзината на само-размена на електрони помеѓу редокс центрите (kco) и концентрациите на оксидирани и редуцирани центри ( и ) во полимерот:

Спроводливост ~ kco

Спроводливоста е максимална при еднакви концентрации на оксидирани и намалени редокс центри, што одговара на условите кога редокс системот има стандарден редокс потенцијал E0(/). Постоењето на редокс центри во различни состојби на полнење послужи како основа за користење на имињата „мешани валентни“ или „делумно оксидирани“ комплекси во однос на редокс полимерите засновани на координативни соединенија. Транзицијата на молекулите на редокс полимерот од оксидирана во редуцирана состојба е придружена, како што е опишано погоре за спроводливите полимери (види слика 2), со ослободување на контрајони кои го компензираат полнежот од полимерот во растворот на електролитот во кој се спроведува процесот. надвор, и обратно.

Општо земено, спроводливоста на редокс полимерите е значително помала од спроводливоста на органските метали и достигнува вредности од редот од 10 -2 - 10 -3 S/cm. Ова се должи на многу причини, од кои едната е ограничената брзина на редокс реакциите. Сепак, заедно со овој недостаток, редокс полимерите имаат и сериозни предности:

1) металните комплекси воопшто, во споредба со органските соединенија, обезбедуваат значително поголеми можности за контролирање на својствата на полимерите со менување на природата (електронската структура) на металниот центар. Како еден од многуте примери што ја потврдуваат оваа позиција, може да се наведе значително проширување на бројот на оптички електронски транзиции во металните комплекси во споредба со органските соединенија поради појавата на транзиции лиганд-метал и интервалентни транзиции. Ова отвора нови можности за контролирање на оптичките својства на полимерите со помош на електричен контролен сигнал;

2) некои од металните комплекси, на пример, се аналози на најважните природни ензими-биокатализатори, особено оксигеназа и пероксидаза. Ова ни овозможува да го предвидиме создавањето на нивна основа на нови полимерни електрокаталитички системи, кои се карактеризираат со висока ефикасност и селективност, карактеристични за биокатализаторите.

Некои области на употреба на проводни полимерни соединенија

Хемиски извори на струја

Батериите за полнење (сл. 4а) беа еден од првите комерцијални производи базирани на употреба на проводни полимерни соединенија. Тие користат полипирол, политиофен или полианилин како материјал за позитивна електрода. Материјалот за производство на негативни електроди е обично литиум или неговите легури (на пример, со алуминиум).

Како што батеријата се празне, електроните се движат од негативната електрода до позитивната електрода преку надворешно коло. Во овој случај, литиумот се оксидира, поминувајќи во електролитот во форма на позитивно наелектризирани јони, полимерното соединение се намалува, што е придружено со транзиција на анјони кои компензираат за полнење од полимерот до електролитот. Кога се полни батерија од надворешен извор на струја, на електродите се случуваат обратни процеси.

Електролитот може да биде или солен раствор базиран на пропилен карбонат, кој често се користи како растворувач во тековните извори, или полимерна мембрана заситена со соодветната литиумска сол (цврст полимер електролит). Во вториот случај, батеријата воопшто не содржи течна фаза, што ја прави најбезбедна и најзгодна.

Ориз. 4. Примена на спроводливи полимерни соединенија: а - во хемиски струјни извори; б - во електрокаталитички системи

Електрокаталитички системи

Главната насока на употреба на спроводливи полимери и редокс полимери во каталитичките системи е развојот на хемиски модифицирани електроди (CME). CME е електрода направена од хемиски инертен материјал со слој од спроводливо соединение депониран на неговата површина, кој е каталитички активен во однос на електрохемиската реакција што се случува во системот (види Сл. 4, б). Методот на хемиска модификација на електродите овозможува да се прошири опсегот на традиционално користените електродни материјали (патем, многу мали), да се зголеми селективноста на нивното дејство и да се реализира можноста за создавање материјали со однапред одредени својства. Во моментов, CME базирани на спроводливи полимерни соединенија се користат за каталитичка оксидација на метанол и заситени јаглеводороди под благи услови, намалување на халогените деривати на заситените јаглеводороди, намалување на јаглерод диоксид и катализа на редокс реакции кои вклучуваат биомолекули (ензими и коензими ).

Контролирани оптички уреди

Една од извонредните карактеристики на спроводливите полимерни филмови е нивната способност да ги менуваат нивните оптички карактеристики, особено бојата, со промени во нивото на оксидација. Ако нивото на оксидација на полимерот е контролирано од потенцијалот на електродата на која се нанесува полимерот, оптичките карактеристики на полимерот може да се контролираат со помош на електричен сигнал - се појавува таканаречениот електрохромски ефект. Особено, редокс полимерите базирани на комплекси, кога преминуваат од оксидирана во редуцирана состојба, ја менуваат својата боја од темно зелена, портокалова, црвено-кафеава, сина (во зависност од природата на металниот центар и околината на лигандот) во жолта. разни нијанси. Со депонирање на електрохромни полимерни материјали со електрополимеризација на оптички проѕирни електроди (кварцни плочи со распрскан слој од проѕирни електрично спроводливи калај и индиум оксиди), можно е да се добијат електрохромни системи за употреба во екрани во боја, бленда и оптички уреди за филтрирање.

Хемотронски и сензорски уреди

На сл. 5а покажува дијаграм на микроелектрохемиски транзистор базиран на употреба на електрохемиски активен полимерен материјал (спроводен полимер или редокс полимер). Уредот се состои од две метални (златни или платина) микроелектроди лоцирани на растојание од околу 1 микрон во полимерен слој. Најважната карактеристика на полимерниот материјал е тоа што неговата спроводливост зависи од степенот на неговата оксидација, која е контролирана од потенцијалот на контролната електрода Uу. Принципот на работа на микроелектрохемискиот транзистор е целосно сличен на принципот на работа на конвенционалните транзистори. Кога се менува контролниот напон Uy, електрохемиски активниот полимер се оксидира или намалува. Во овој случај, нејзината спроводливост се менува, и следствено, големината на струјата што тече помеѓу електродите Ie се менува при постојан напон Ue.

Слика 5, b ја прикажува карактеристиката на струја-напон (односот помеѓу струјата Ie и контролниот напон Uy) за микроелектрохемиски транзистор со редокс полимер. Струјата Ie тече само во тесен опсег на контролни напони, обично во рамките на 100 mV од стандардниот потенцијал E° на редокс парот присутен во полимерот. Максималната вредност на струјата се постигнува токму на Uу = E°, бидејќи токму оваа состојба на системот одговара на еднакви концентрации на оксидирани и намалени центри на полимерот, односно неговата максимална спроводливост.

Ориз. 5. Дијаграм на коло на микроелектрохемиски транзистор кој користи редокс полимер (а) и струјно-напонска карактеристика на транзисторот (б)

Редокс полимерните соединенија како материјали за микроелектрохемиските уреди имаат две предности во споредба со спроводливите полимери: тесен опсег на напони при кој е вклучен транзисторот и чувствителност на составот на медиумот во кој се случуваат редокс реакциите на полимерот. Првата предност ја одредува способноста на транзисторот да работи во даден тесен опсег на контролни напони. Разновидноста на достапни системи за редокс со различни вредности на стандардни потенцијали овозможува да се избере потребниот опсег. Зависноста на својствата на редокс полимерот од составот и концентрацијата на компонентите на електролитот (кислород, pH) отвора можност за создавање електрохемиски сензорски елементи врз основа на уредите што се разгледуваат. Бидејќи, за време на транзицијата кон нанотехнолошките методи за производство на хемотронски уреди, растојанијата помеѓу електродите може да се намалат на вредности од редот на нанометри, заостанувањето на редокс полимерите од органски метали во спроводливоста очигледно ќе стане незначително.

Синтезата и проучувањето на нови спроводливи полимерни соединенија е релативно млада и прогресивна област на истражување, која се наоѓа на пресекот на различни области на хемијата (координативна хемија, електрохемија, органска хемија, катализа, хемија на цврста состојба) и физика (теорија на спроводливост , физика на цврста состојба, оптика) . Сегашната состојба на оваа научна насока може да се окарактеризира како период на интензивна акумулација на информации за новите полимерни материјали, нивните својства и методи на примена и период на создавање модели на уреди. Понатамошниот развој на хемијата на спроводливите полимерни соединенија ќе доведе до појава на фундаментално нови индустриски каталитички, електронски и оптоелектронски системи базирани на нив.

А. М. Тимонов, С. В. Васиљева
Рускиот државен педагошки универзитет именуван по. А.И. Херцен, Санкт Петербург

Сорос едукативно списание. 2000. Т. 6, бр. 3

Електрична спроводливост на полимерите

Карактеристично својство на синтетичките полимери доНеодамна се сметаше дека тие имаат нула електрична спроводливост.Сите вообичаени видови пластика се добри диелектрици.- ками поради формирање на силни ковалентни врскимакромолекуларни соединенија.

Сепак, значајно достигнување на тројца нобеловци 2000 - Алана МекДиармид (САД), Алан Игуера (САД)и Хидеки Ширакава (Јапонија)- драматично го промени општоприфатеното гледиште. Овие научници беа првите кои успеаја да се трансформираатпластика во електричен проводник.

Како што често се случува во историјата на науката, откритието беше помогнатонесреќа. Ширакава студент како- Го додадов по грешкапремногу катализатор, што резултира со безбоенпластиката одеднаш почна да ја рефлектира светлината како сребро, и тоа доведена идејата дека престанал да биде изолатор. Понатамуистражувањето доведе до откривање на полимер со спроводливост од десет- ki милиони пати супериорен во однос на обичната пластика. Оваго отвора патот кон новата електроника на 21 век, заснована наоргански материјали. На крајот на краиштата, органските материјали се полеснии пофлексибилни од традиционалните силициум, тие полесно се даваат посакуванотоформа, вклучувајќи тридимензионални.

Што се спроводливи полимери? Аконакратко, основа за нив се супстанции со молекули, вокои имаат наизменични двојни јаглеродни врски. ВОво чиста форма тие не се спроводници, бидејќи електроните во нив се локализирани поради нивното учество воформирање на ковалентни хемиски врски. За ослободување на електронисе користат разни нечистотии, откако ќе се појави нивното внесувањеспособноста да се движат полнежи (електрони и дупки) по должинатамолекуларен синџир. Вообичаен пример за проводен полимер е полианилин.Врз основа на спроводливи полимеримолекуларна електроника. На пример, научниците од Универзитетот во Аризона создадоа ограничувач на напон од седум фрагменти од анилин.Молекуларни транзистори, кондензатори,диоди.

Американската компанија Superconnect разви материјал кој во иднина ќе помогне да се забрза преносот на податоци доИнтернет сто пати! Ова е специјален полимер залепен со комплет фулерени, што ви овозможува да го контролирате протокот на светлина когасо помош на други нишки (т.е. чист фотонски транзистор).

Слика 109. Комбинација на фулерени и

полимерните синџири се клучот за

ултра брз оптички

прекинувачи

Ова е првиот чекор кон создавањетосите оптички рутериво Интернет. Сега, за да се контролираат тековите на податоци (кои се пренесуваат помеѓу големи јазли преку оптичко влакно), тие се претвораат од оптички импулси во електронски. Чиповите ја одредуваат насоката на преносот и го префрлаат каналот, по што битот тече во формаелектроните повторно се претвораат во светлинаимпулси и испратени до нивната дестинација. Значи двојнотрансформација - едно од тесните грла што го намалува целокупниот интернет пропусен опсег. Со замена на конвенционалните рутери, кои комбинираат оптички и електронски компоненти, со целосно оптички, ќе може да се зголеми брзината на пренос на податоци за сто пати.

Ниската цена за производство на полимери отвора нови области на примена за органска електроника. На пример, таквите полимери ќе овозможат печатење на кој било ИЦ на едноставникомпјутерски печатачи кои користат специјален хемиски раствор наместо мастило. Ова- уво - значителна технолошка и економска предност, бидејќи печатачот е лесен за употреба и

чини пени во споредба со традиционалните скапиопрема за производство на интегрирани кола.

На принтери, на пример, во блиска иднина вработенитеБританската компанија Cambrige Display Technologies ќе започне со производство на видео дисплеи за мобилни телефони и

други преносливи уреди. Почетниот материјал за таквиќе има нови приказиполимери кои емитуваат светлина, каде што зрачењетосе јавува како резултат на рекомбинација на електрони и дупки. Исто такатреба да се очекува наскоромасовно производство на новибазирани на пластични мониториполимерни матрици. На сликатаотсликува еден од лабораторијатапримероци од такви дисплеи од Universal Display.

Сл 110. Демонстрација на флексибилни

спроводлив монитор

полимер *

Освен тоа, ако можете да печатите и проводници и полимери, тогаш зошто да не го испечатите самиот печатач?Токму тоа се стремат да го направат волонтерите на проектот RepRap.- само-реплицирачки печатач кој може да печати сèдетали за нивните копии од спроводливи, полупроводливи и непроводни полимерни мастила. Секако дека не може

само репродуцирај- на таков печатач ќе биде можно лесно„Принтајте“ дигитален фотоапарат или мобилен телефон!