Лекція 1 органічна електроніка. Етапи розвитку та формування органічної електроніки

ЛЕКЦІЯ 1
ОРГАНІЧНА ЕЛЕКТРОНІКА. ЕТАПИ РОЗВИТКУ ТА
ФОРМУВАННЯ ОРГАНІЧНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ
Органічна електроніка - електроніка на основі синтетичних органічних матеріалів (полімерів, низькомолекулярних сполуках). У світі вона позиціонується як заміна звичайної кремнієвої технології в тих областях, де важлива масовість виробництва. Органічні матеріали відносно дешеві у виробництві, існує величезна кількість варіантів синтезу матеріалів із заздалегідь заданими властивостями. Можна синтезувати мільйони різних молекул, замінюючи в них окремі блоки, як в дитячому конструкторі, і утворювати молекули і полімери з будь-якими тонко диференційованими функціями. Такі полімери можна легко розчиняти в хімічних розчинниках і, використовуючи розчин замість чорнила, друкувати будь-які схеми на простих комп'ютерних принтерах. Все це дає колосальні технологічні та економічні переваги.
Дешевизна матеріалів і виробництва відкриває перед органічної електронікою нові області застосування. Органічна електроніка приносить нові споживчі властивості в традиційні пристрої і відкриває можливості для створення нових пристроїв. Органічні матеріали легкі, пластичні, їм простіше надавати потрібну форму, що дозволяє виготовляти гнучкі і прозорі дисплеї, батареї, сенсорні масиви, елементи пам'яті і, відповідно, гнучкі і прозорі кінцеві пристрої. Це сприяло появі на ринку нових пристроїв таких як електронний папір, «розумний одяг» (акумулює енергію, аналізує стан тіла людини) і т.п. Існує взаємозв'язок органічної електроніки з технологією «Інтернету речей», коли в одному пристрої необхідно поєднати джерело енергії, аналізатор і передавач сигналу при мінімальній вартості і високого ступеня інтеграції в пристрій або конструкцію.
Створення засобами молекулярної електроніки штучних нейронів, різного типу сенсорів, включених в єдину мережу, дозволяє реалізувати потенційні можливості, закладені в нейронній комп’ютерній ідеології, отримати принципово новий тип інформаційно-обчислювальних систем і підійти впритул до вирішення проблеми штучного інтелекту. Орієнтація на можливості молекулярного світу виникла не випадково, адже саме природа створила за мільйони років еволюції найрізноманітніші молекули, які виконують всі

необхідні для складного організму функції: сенсорні, логічно-аналітичні, запам'ятовуючі, рухові.
Про молекулярні комп'ютерах говорять уже давно. Будь-яка ЕОМ має три головні компоненти: перемикачі (транзистори), елементи пам'яті, провідники.
Молекули і організовані молекулярні ансамблі, що володіють властивостями бістабільності, тобто здатністю існувати в двох або декількох термодинамічно стійких станах, можуть бути елементної базою для нового покоління обчислювальних і інформаційних систем. Бістабільні молекули можуть управлятися світловими і електричними імпульсами або електрохімічними реакціями. Для цього використовуються також процеси Цис-транс-ізомеризації, пери циклічних перетворень, перенесення електрона і протона Пам'ять молекулярного комп'ютера може бути заснована на тих же принципах, що і перемикача, в її основі - бістабільні молекулярні структури і їх перетворення. В
Інституті нанотехнологій Каліфорнійського університету (США) створено перший 160-кілобітний працює контур молекулярної пам'яті з колосальною щільністю запису. В недалекому майбутньому комп'ютери зможуть записувати оптичну інформацію не тільки на поверхні активного середовища, як це робиться в даний час, а в повному обсязі, тобто пам'ять стане тривимірної. Ще один новий напрям - так звана спінтроніка - засновано на використанні спина електронів у магнітних органічних молекул. За рахунок спін-орбітальної взаємодії магнітний момент може прецессувати. Інформація, закодована таким чином, зберігається і після виключення пристрою. Для її обробки не потрібні магнітні поля, а для запису досить мізерних витрат енергії.
Молекулярні провідники забезпечують сполучення між молекулярними транзисторами і молекулярними пристроями пам'яті. Розробляється три типи молекулярних провідників: провідні полімери (політіофена, поліанілін і ін.),
Донорно-акцепторні органічні провідники різної природи, а також вуглецеві нанотрубки і графен.
Найскладніше завдання - зібрати всі компоненти в діючий пристрій. Наявні стандартні технології для роботи з молекулами не годяться. Для цієї мети потрібно застосувати принцип молекулярного розпізнавання, відповідальний за

самосборку і самоорганізацію складних ансамблів і агрегатів молекул. Він же лежить в основі походження життя, саме його використовує природа для освіти таких складних структур, як подвійна спіраль ДНК, рідкі мембрани і глобулярні білки. Молекули і атоми - еталонні освіти, за допомогою яких можна домогтися дуже хорошою відтворюваності елементів. Нещодавно в США отримано патент на технологію створення складних логічних мікросхем молекулярного рівня, виробництво яких, як обіцяють автори, буде простим і дешевим. В результаті досліджень дана відповідь на питання: як організувати ефективний введення- виведення інформації по відношенню до молекулярних структур. Аналогічне завдання для квантових комп'ютерів поки не вирішена. Якщо до створення пристроїв, в яких управління підлягають окремі атоми, ще далеко, то управління на молекулярному рівні - вже доконаний факт. Розміри молекулярного транзистора на два порядки менше самих мініатюрних кремнієвих, при виробництві яких нині діє технологія 0,13 мкм. Багато дослідників пророкують, що молекулярні комп'ютери в кінцевому рахунку замінять системи, засновані на кремнієвих чіпах. Це дозволить виготовити настільки мініатюрний комп'ютер, що його можна буде включати, наприклад, в тканину одягу.
При певних комбінаціях складових частин молекули або самозбирається шари цих молекул можуть працювати як діоди, випрямлячі струму і ін. Завдяки високій чутливості молекулярних електронних пристроїв до світла їх можна використовувати для створення ефективних перетворювачів сонячної енергії, нового класу приймачів зображення, прін¬ціп дії яких буде нагадувати роботу людського ока, для моделювання процесу фотосинтезу. Такі пристрої можна застосовувати також в якості селективних сенсорів, що реагують тільки на певний тип молекул. Вони необхідні в екології, промисловості, медицині. Сенсор з органічних молекул значно легше імплантувати в організм людини, щоб контролювати його стан. Створений за таким же принципом прилад служить для пошуку дрібних слідів вибухівки. На основі молекулярної структури в Японії сконструйований перший в світі супермініатюрний молекулярний двигун.
Електронні пристрої на базі ансамблів з органічних молекул розробляються
і досліджуються активніше, ніж пристрої на основі одиночних молекул, оскільки

вони легко інтегруються в звичайну електроніку і швидко комерціалізуються.
Одне з найбільш яскравих винаходів, що мають успіх на ринку, - органічні електролюмінесцентні діоди. Вони знайшли широке застосування в дисплеях стільникових телефонів, цифрових фотоапаратів і різних індикаторів. Розпочато випуск телевізорів і моніторів. Ефективність кращих електролюмінесцентних пристроїв (більше 20%) вже вище, ніж у люмінесцентних ламп, а термін їх життя перевищує 20-50 тис. Годин. Основні їхні переваги - економічність, дешевизна виготовлення, висока якість, гнучкість, швидкодія, відсутність сильного нагріву
і проблем з утилізацією.
Інший важливий напрям, яке увійшло в фазу комерціалізації, - розробка органічних сонячних елементів. І хоча їх ефективність (ККД кращих лабораторних зразків досягає 18%) ще значно менше, ніж неорганічних, дешевизна робить виробництво вигідним навіть при ККД 3%.
Ще одна проста і дуже перспективна технологія, що має багато застосувань,
- електронний папір. Вона являє собою тонку плівку, заповнену електрохромним матеріалом - електронними чорнилами. Компанія Xerox розробила струмопровідні чорнило, які дають можливість наносити електронні схеми на тканину, пластик і практично будь-який інший матеріал. Завдяки роботі в відбитому світлі електронний папір споживає вкрай мало енергії і не потребує підсвічування. Електронні книги дозволять зберегти мільйони дерев, що використовуються для виробництва звичайного паперу.
Запропоновано цілий ряд нових органічних електропровідних матеріалів і структур, які знайшли застосування в якості провідників і прозорих електродів в діодах, транзисторах, гнучких інтегральних мікросхемах. Розробляються маленькі радіочастотні етикетки, які не вимагають зчитувачів і забезпечують легкість контролю і обліку. Стали поширеними дослідження зі створення швидко заряджаються тонко¬пленочних полімерних батарей, фото- і електрохромних вікон. З органічного матеріалу вдалося виготовити магніти. Дослідники компанії
«Люсент» в Нью-Джерсі зуміли створити перший електричний лазер на основі органічного матеріалу, що дає можливість прямого перетворення електричної

енергії в лазерне випромінювання. Регулярно з'являються повідомлення про розробку нових і нових унікальних сенсорів.
Очевидно, що настає нова технологічна революція в електроніці: елементарні пристрої виходять на рівень молекул. Розвиток цього напрямку в найближчі 10-20 років призведе до створення нових типів обчислювальних і
інформаційних пристроїв - молекулярних комп'ютерів. У перспективі вони можуть бути в мільярди разів ефективніше і продуктивніше існуючих обчислювальних пристроїв, заснованих на кремнієвих транзисторах. Згідно з прогнозами аналітиків, ринок органічної електроніки збільшиться з декількох мільярдів доларів в даний час до 48 в 2017 р і досягне близько 300 млрд в 2027 році.
На даному етапі розвитку органічної електроніки найбільш практичний
інтерес зосереджений на OLED технології і органічній сонячній енергетиці.