Органические транзисторы сообщат об опасных примесях в воздухе

XX2 век - новости науки, общества и технологий.

В России разработан новый класс органических полупроводников на основе диазафлуорена, они стабильны на воздухе и способны работать в качестве активного слоя n-канальных транзисторов. Это открывает дорогу к созданию высокочувствительных сенсоров для обнаружения сероводорода.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

 — перспективная область, которая предлагает гибкие, лёгкие и дешёвые альтернативы традиционным кремниевым устройствам.

Её применение открывает путь к созданию носимых медицинских датчиков, складных дисплеев и даже «умной» упаковки нового поколения. Но создание стабильных и эффективных органических полупроводников n-типа (проводящих электроны), способных работать на воздухе, а не в инертной среде, остаётся серьёзной научной задачей. Эта проблема долгое время сдерживала разработку полноценных комплементарных схем и сложной органической логики, требующей как p-, так и n-типов проводимости.

Учёные из Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО

, Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова

и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова синтезировали серию новых соединений на основе 4,5—диазафлуорена. Эта стратегия является результатом целенаправленного поиска устойчивых электроноакцепторных архитектур. Ключевая особенность структуры 4,5—диазафлуорена — наличие атомов азота, которые придают материалу сильные электроноакцепторные свойства, необходимые для переноса отрицательных зарядов, а также сенсорную способность. Введение атомов азота в сопряжённую систему позволило значительно понизить энергетические уровни молекулы, обеспечивая как высокую электронную подвижность, так и исключительную стабильность в условиях атмосферного воздействия.

Была синтезирована серию производных диазафлуорена с различными донорными и акцепторными фрагментами, что позволило тонко настраивать их электронные свойства. Наилучшие результаты показало соединение с дицианометилиденовым фрагментом.

На основе данного соединения были созданы органические полевые транзисторы (OFET). Впервые для диазафлуореновых производных обнаружен эффективный транспорт зарядов. Устройства на основе монокристаллов и тонких плёнок продемонстрировали электронную подвижность. Важнее всего, что тонкопленочные транзисторы сохраняли свою работоспособность в воздушной атмосфере, это не характерно для полупроводников n-типа.

Тонкоплёночные транзисторы были успешно применены в качестве газовых сенсоров. Устройства продемонстрировали чёткий и быстрый отклик на крайне низкие, суб-ppm концентрации сероводорода (H₂S) в воздухе — на уровне 500 миллиардных долей. Чувствительность к H₂S объясняется способностью молекул полупроводника связываться с этим газом.

С помощью рентгеноструктурного анализа также была определена кристаллическая структура всех соединений, показана плотная упаковка молекул, благоприятная для переноса заряда. Квантово-химические расчёты подтвердили высокий потенциал разработанных материалов для применения в электронных устройствах.

Это исследование открывает путь к созданию новых стабильных на воздухе органических электронных устройств, таких как компоненты гибкой электроники, высокочувствительные сенсоры и устройства «электронный нос» для мониторинга окружающей среды и диагностики заболеваний по выдыхаемому воздуху.
«Нам удалось создать молекулу, которая сочетает в себе три ключевых свойства: низкий уровень граничных орбиталей для эффективного переноса электронов и стабильности, относительно низкий дипольный момент для минимизации ловушек заряда и химическую функциональность для сенсорного отклика на целевые газы. Производные диазафлуорена — это перспективные кандидаты для практического применения в органической электронике», — прокомментировал руководитель проекта доктор химических наук, заведующий Лабораторией органической электроники, Максим Казанцев.