Savaime susirenkantys organiniai elektroniniai grandynai

Mokslininkams pavyko rasti paprastą būdą, kaip gaminti didelio našumo elektroninius grandynus naudojant organines puslaidininkines medžiagas. Jie sukūrė organines molekules, kurias patalpinus ant plokščio paviršiaus, šios automatiškai išsidėsto vos poros nanometrų storio sluoksniu. Manoma, jog tokios „savaime susikonfigūruojančios“ molekulės leis lengviau pagaminti organinius tranzistorius – esminius lanksčių plastikinių elektroninių įtaisų komponentus.

Atradimą padarė mokslininko Dago de Leeuw vadovaujama kompanijos „Philips Research Laboratories“ tyrinėtojų komanda iš Eindhoveno (Olandija). Eksperimentų metu mokslininkai naująjį metodą panaudojo gamindami šimtus tranzistorių, iš kurių buvo suformuoti palyginti sudėtingi elektroniniai grandynai.

Savaime susirenkantis grandynas: šis loginis grandynas sudarytas iš daugiau nei 300 organinių tranzistorių. Jų puslaidininkiniam sluoksniui pagaminti panaudotas naujas „savaiminio susirinkimo“ metodas ©Philips Research Laboratories

Praeityje panašius savaiminio susirinkimo „triukus“ yra bandę naudoti ir kiti mokslininkai, tačiau naujasis būdas yra gerokai paprastesnis. Be to, mokslininkams iki šiol nepavykdavo tiksliai ir patikimai atgaminti pastovios struktūros savaime susirenkančių įtaisų. „Jei norite priversti schemą veikti, būtina, kad veiktų kiekvienas tranzistorius. Čia yra šimtai tranzistorių, iš kurių visi veikia. Sudėtingų grandynų išeiga yra ypač gera“, – teigia Kolumbijos universiteto (JAV) elektros inžinerijos profesorius Johnas Kymissisas.

Organinės puslaidininkinės medžiagos yra pigesnės ir daug lankstesnės nei silicis. Šiandieniniuose plokščiuosiuose displėjuose pikseliams įjungti ir išjungti naudojami iš kieto amorfinio silicio pagaminti tranzistoriai. Jei vietoj jų išeitų panaudoti tranzistorius, pagamintus iš plastiko, rinkoje greitai pasirodytų dideli, pigūs ir lankstomi ekranai ir gausybė kitokių nebrangių įtaisų, tokių kaip RFID žymės. Deja, kol kas esminį iššūkį sudaro organinių elektroninių schemų gamybos kaštai ir sudėtingumas.

Dauguma tyrinėtojų mano, jog savaiminis susirinkimas – metodas, kurio esmė yra pačių molekulių išsidėstymas į sudėtingas struktūras – galėtų būti pats praktiškiausias būdas pigiai plastikinei elektronikai gaminti. Šiuo metu organiniams elektroniniams komponentams gaminti naudojami litografinio ėsdinimo bei spausdinimo (panašiai kaip ir rašaliniuose spausdintuvuose) metodai. Savaiminis susirinkimas leistų eliminuoti puslaidininkio sluoksnių šablonų poreikį, be to, atsisakius ėsdinimo būtų prarandama mažiau puslaidininkio medžiagos.

Galutinis savaime susirenkančių grandynų tyrimų tikslas „yra galėti sumesti molekules į mėgintuvėlį ir leisti joms suformuoti pageidaujamas struktūras“, – teigia prie atradimo prisidėjęs „Philips Research Laboratories“ mokslininkas Edsger Smitsas. Žinoma, dar lieka sugalvoti, kaip tokiu būdu pagamintas schemas ištraukti iš mėgintuvėlio, tačiau dabartiniu metu atlikti eksperimentai yra nemažas žingsnis šio tikslo link. Mokslininkai eksperimentų metu iš aukso pagamintus ištakos (angl. source) ir užtūros (angl. drain) elektrodus su tarp jų esančių silicio dioksido izoliatoriumi pagamino naudodami tradicinę litografiją ir paviršinį ėsdinimą. Po to jie įmerkę šį tranzistoriaus grandyną į organinio puslaidininkio tirpalą. Puslaidininkio molekulės išsidėstė taip, kad suformuotų vieną tankų maždaug trijų nanometrų sluoksnį virš silicio dioksido izoliatoriaus tarp ištakos ir santakos. „Molekulės renkasi tol, kol tik yra laisvos vietos, todėl taip gaunamas tikrai mono-molekulinis sluoksnis“, – teigia tyrimų bendraautorius Stephanas Kirchmeyeras, kuris taip pat vadovauja molekules sukūrusiai ir pagaminusiai chemijos kompanijai „H.C. Starck“ (Leverkusen, Vokietija).