Органическая электроника: революция на молекулярном уровне
Рассказывает Дмитрий Паращук, руководитель группы органической электроники и профессор физического факультета МГУ
Что такое органическая электроника?
«Мы работаем с органическими полупроводниковыми материалами — это необычное сочетание, но именно оно открывает революционные возможности», — начинает разговор Дмитрий Паращук.
По словам ученого, органическая электроника — это то, что природа уже давно использует: «В каждой клетке есть процессы записи, копирования, хранения и передачи информации. Природа доказала, что такая электроника работает, причем с фантастической эффективностью — в миллиарды раз лучше современных компьютеров. Люди пока не научились это делать так же хорошо».
Лаборатория органической электроники занимается созданием устройств на основе органических материалов, проходя весь путь от молекулы (в виде порошка, который поставляют химики) до готового электронного устройства.
Технологический процесс: от порошка до устройства
Процесс создания органического электронного устройства включает несколько ключевых этапов:
- Подготовка подложки
«Все начинается с тщательной очистки подложки. Если не отмыть ее идеально, ничего не получится», — объясняет профессор. Подложку очищают в специальной ультразвуковой мойке с использованием различных растворителей и воды, затем сушат и обдувают чистым газом, чтобы сдуть пылинки.
- Приготовление раствора
Органический материал в виде порошка взвешивают с точностью до десятой миллиграмма, растворяют в подходящем растворителе и тщательно перемешивают с помощью магнитной мешалки.
- Нанесение пленки
«Существует два основных метода нанесения пленки из жидкости», — рассказывает Паращук. Первый — метод скользящего мениска (или ножевой метод), где специальное лезвие размазывает раствор по поверхности подложки. Второй — спин-коатер, где подложка раскручивается на высокой скорости и жидкость равномерно распределяется по ее поверхности.
- Работа в инертной атмосфере
Многие процессы проводятся в специальных боксах с инертной атмосферой из азота или аргона. «Концентрация кислорода и воды в таких боксах чрезвычайно низкая — около 1,1 млн, что соответствует одной молекуле на 100 миллионов молекул газа», — уточняет ученый.
- Нанесение из паровой фазы
Альтернативный метод — испарение органических веществ и их осаждение на подложку. «Органические соединения могут испаряться при относительно низких температурах. Используя специальные маски, мы можем создавать определенные структуры на подложке», — поясняет профессор.
- Рост органических кристаллов
Для некоторых устройств выращивают органические кристаллы в специальных трубчатых печах. «В трубе создается градиент температур, и через нее пропускается очень слабый поток инертного газа — около 5 кубических сантиметров в минуту. Вещество испаряется и осаждается в виде кристаллов», — описывает процесс профессор.
- Нанесение электродов и создание структуры «сэндвич»
Завершающий этап — нанесение электродов. «Некоторые наши устройства имеют структуру типа 'сэндвич', где между электродами расположено множество слоев органических материалов», — говорит ученый.
Перспективные направления применения
Профессор Паращук выделяет три ключевых направления применения органической электроники:
- Солнечные батареи
«Мы живем в мире энергетических проблем, которые никуда не исчезли, — подчеркивает ученый. — 80% энергии человечество получает из угля и углеводородов — нефти и газа. При этом мы потребляем эти ресурсы в тысячу раз быстрее, чем они образуются в Природе».
Солнечная энергия — один из самых перспективных практически неиссякаемых источников энергии. «Солнце поставляет на Землю огромное количество энергии. Нам нужна лишь малая доля от этого потока — примерно 0,1% — чтобы покрыть все энергетические потребности человечества», — объясняет Паращук.
Для России было бы достаточно покрыть солнечными батареями площадь размером 100 на 100 километров, чтобы обеспечить все энергетические потребности страны. Однако существующие технологии на основе кремния слишком дороги для таких масштабов, в частности из-за дорогостоящих процессов очистки солнечного кремния.
«Органические солнечные батареи можно производить по дешевым технологиям. Полимерные пленки можно выпускать рулонами и покрывать ими большие площади — крыши, фасады зданий и другие поверхности», — говорит ученый.
- Источники света и дисплеи
«На освещение тратится около 20% мировой выработки энергии, — отмечает Паращук. — Современные светодиоды уже совершили революцию, но есть еще куда развиваться».
Органические светодиоды (OLED) уже используются в дисплеях смартфонов и телевизоров. «Они обеспечивают более широкий цветовой охват и яркость. Особенно важны органические материалы для микродисплеев в устройствах виртуальной реальности, которые массово используются, например, в FPV-дронах», — объясняет профессор.
«Традиционные светодиоды — это точечные источники света. А мы привыкли к естественному, распределенному освещению. Органические светодиоды могут создавать светящиеся поверхности любой формы, — рисует перспективу Паращук. — Представьте стены, которые сами светятся и могут менять цвет и изображение по вашему желанию».
- Гибкая и биосовместимая электроника
«Органические материалы позволяют создавать гибкую электронику, которая может быть совместима с человеческим телом, — говорит ученый. — Например, можно создать гибкие рентгеновские детекторы, которые облегают исследуемую часть тела человека, обеспечивая гораздо более пространственное разрешение рентгеновского снимка».
Органические полупроводниковые материалы открывают новые возможности для медицинских приложений, сенсоров и датчиков, которые можно интегрировать с тканями организма.
Энергоэффективность — ключевое преимущество
Особое внимание профессор уделяет энергоэффективности: «Современные суперкомпьютеры — это по сути суперпечки: более 99% энергии они превращают в тепло. Дата-центры приходится охлаждать водой, погружая их, например, в моря и океаны.
По прогнозам, в ближайшие годы на цифровые технологии будет уходить до 20% всей вырабатываемой электроэнергии. Органическая электроника потенциально может быть намного энергоэффективнее, как это демонстрирует природа».
Междисциплинарность и образование
Органическая электроника — глубоко междисциплинарная область, находящаяся на стыке физики, химии, материаловедения и инженерных наук.
«Химики синтезируют молекулы и изучают их свойства, но им не всегда интересно, как эти молекулы будут работать в устройстве. Физики изучают фундаментальные свойства, но не всегда понимают тонкости химии, — рассуждает Паращук. — Нам нужны специалисты, способные понимать весь путь от молекулы до готового устройства».
Говоря о качествах, которыми должны обладать молодые ученые, профессор подчеркивает: «Главное — интерес. Сейчас основной ресурс — это люди и их знания. Оборудование и материалы доступны, но не хватает мотивированных и образованных специалистов».
«Базовое физическое образование исключительно важно — это фундамент, на котором строятся и химия, и биология, и многие другие науки, — уверен ученый. — Выпускники физического факультета работают в самых разных областях — от научных исследований до бизнеса, финансов и даже литературы».
Сотрудничество с промышленностью
Лаборатория органической электроники активно сотрудничает с российскими производителями.
«В последние годы у нас развивается сотрудничество с производителями органических микродисплеев, — рассказывает ученый. — Особенно это стало актуально с введением санкций, когда производители, ранее использовавшие импортные материалы, обратили внимание на отечественные разработки.
Они ставят конкретные задачи: им, например, нужно, чтобы экран светил ярче и дольше. Мы ищем новые материалы, которые будут эффективнее, дешевле, долговечнее. В перспективе это позволит создавать гибкие дисплеи, которые можно сгибать и сворачивать в трубочку».
Взгляд в будущее
«Все, что мы делаем, в конечном счете направлено на благо планеты, — подводит итог профессор. — Более эффективные солнечные батареи помогут решить энергетические проблемы. Экономичные источники света снизят энергопотребление. Энергоэффективная электроника уменьшит нагрузку на ресурсы планеты.
В органических материалах заложен огромный потенциал. Природа уже доказала, что такая электроника работает — наша задача научиться воспроизводить эти принципы».
Материал пресс-службы МГУ