Наноэлектроника и нанофотоника на основе полимеров

Считается, что дешевые и гибкие полностью углеродные интегральные схемы на основе графена можно будет производить с помощью интенсивно разрабатываемой в настоящее время нанолитографии и принтерной технологии.В то же время, на пути создания безкремниевой полностью углеродной электроники стоит ряд проблем. Необходимо научиться делать протяжённые бездефектные плёнки однослойногографена на гибких полимерных подложках. Имеющиеся экспериментальные результаты показывают, что сделать это не просто.Существует определённый скепсис в отношении возможности использования графена в электронике в цифровых устройствах (но не в аналоговых). Видимые на сегодняшний день трудности – отсутствие у подвешенного однослойного графена запрещённой зоны и, следовательно, слишком большие токи утечки в неработающем состоянии и т.п. – не должны нас смущать; ведь и чистый кремний (без легирования) малопригоден в электронике. Интенсивно разрабатываются пути устранения этих препятствий. Графен – химически реакционноспособная полимерная молекула; на ряде примеров это уже показано. Функционализация УНТ разнообразными органическими молекулами достаточно хорошо разработана. Аналогичные исследования графена только начинаются, но не просматривается серьёзных препятствий для того, чтобы не иметь возможность привить на поверхность графена те или иные функциональные молекулы. Показано, что в структуре графена реализуются локальные sp3-дефекты при взаимодействии с солями диазония и другими активными группировками . Ясно, что органическая химия графена – это своеобразный «Клондайк» для химиков–синтетиков. В скором времени на поверхности графена можно будет создавать разнообразные по своей электронной природе рисунки – линии, окружности и т.п. На этой основе может быть разработана единая технология, которая позволит «рисовать» структуры разной природы (проводники, полупроводники, изоляторы) на листе графена, т.е. локально создавать и изменять ширину запрещённой зоны отдельных участков поверхности графена. Будут разработаны методы прививки к поверхности графена молекул различной степени сложности – органических и биомолекул – и тем самым созданы локальные участки наноразмеров с разнообразной функциональностью и физическими характеристиками. Модельные элементы (устройства) молекулярной электроники до сих пор было трудно совмещать с традиционной кремниевой технологией, а также металлическими электродами и прозрачными проводящими слоями типа ИТО - покрытий. Но если полностью перейти на С-электронику, то известные объекты молекулярной электроники с ней легко полностью совмещаются путём прививки на поверхности графена. Т.е. появляется возможность использовать всё то, что было наработано в молекулярной электронике с элементной базой наноэлектроники.Перспективны «гибкая» электроника, т.е. электроника на гибких носителях – полимерных подложках различного состава вплоть до бумаги, и «печатная» электроника, элементы которой изготавливаются методами принтерной печати чернилами различного состава и функционального назначения. Хорошо известно, что УНТ и графен легко диспергируются в жидкостях с образованием устойчивых дисперсий – чернил. Аналогично ведут себя наночастицы углерода и наноалмаза, что позволяет использовать их для создания рисунков любой топологии методом принтерной печати на любых подложках, в том числе – на гибких полимерных. На этой основе можно создавать электроды (в том числе – прозрачные), полевые транзисторы, сенсоры (и биосенсоры).Например, на сегодняшний день можно получить устойчивую дисперсию однослойногографена в ряде растворителей и использовать её в качестве чернил для печати наноэлектронных устройств. Однако проводимость и подвижность зарядов таких материалов будет на порядки ниже, чем у подвешенного однослойного графена. Несмотря на это, в таком графене подвижность носителей заряда в худшем варианте в разы больше, чем в кремнии, а в лучшем – в сотни раз. Несмотря на это, многие авторы выражают уверенность в возможности создания полностью углеродной наноэлектроники.В то же время имеется ряд оригинальных применений, для которых не требуется высокое совершенство структуры графенового листа – это фотоника, сенсоры, прозрачные проводники, полевые эмиттеры и т.п.Например, в современном мире пристальное внимание уделяется созданию и функционированию гигантскихсуперкомпъютеров. Они остро необходимы не только для обороны, но и для решения ряда научных задач, для развития деятельности глобальных корпораций и постиндустриального общества в целом. В настоящее время в мире их существует не более 10-ти. Основные проблемы при их эксплуатации – значительное электропотребление (~2МВт) и гигантское тепловыделение – на охлаждение расходуется ~5МВт. Такая ситуация резко повышает интерес к углеродной элементной базе, использование которой заведомо приведёт к намного меньшимэнергозатратам и существенному снижению тепловыделения.Один из важнейших параметров – быстродействие. Средства обработки информации бытового назначения должны быть лёгкими, мобильными, с высокой степенью надёжности, массовыми и дешевыми. Они должны решать задачи в реальном масштабе времени – времени реакции человека, в интервале 1.0–0.1 сек. По-существу, те же требования предъявляются и к автономным системам наведения. Современные технологии создания электронных схем позволяют формировать чипы, на которых одновременно размещаются многочисленные инверторы и логические схемы на их основе, трансформеры, детекторы, датчики, преобразователи, усилители, контроллеры и другие приборы, а также средства связи между ними. Всё это можно реализовать на углеродной основе и повысить быстродействие на порядки.Преимущества углеродной элементной базы:При переходе от современных интегральных схем к углеродным структурам должно произойти существенное сокращение числа стадий их производства, которое должно быть ещё более автоматизировано.Плотность элементов увеличится на порядки, а энерговыделение уменьшится.Увеличится быстродействие отдельных элементов, что позволит увеличить на несколько порядков производительность обработки информации.Особенности строения и свойств графенового листа открывают перед конструкторами электронных устройств такие возможности, которые не находили решения при использовании традиционных материалов современной электроники. Например, для индустрии солнечных батарей нового поколения очень важно найти замену ИТО-покрытию из-за его дороговизны и ограниченности ресурсов индия. Прозрачные электроды на основе графена вполне могут заменить ИТО. При этом технология высокотемпературного напыления ИТО заменяется простым вальцеванием графена при комнатной температуре. Имеется множество идей изготовления прозрачных графеновых электродов для светодиодов и солнечных батарей, а также утилизации и сохранения энергии в аккумуляторах и суперконденсаторах полностью на углеродной основе. На пути создания полностью углеродных светоизлучающих диодов методом принтерной печати достигнуты впечатляющие результаты. Светоизлучающие диоды на основе УНТ с хорошими характеристиками уже созданы; они исключают использование ИТО и другой неорганики.Имеется ряд других не менее интересных областей применения графена на пути создания полностью углероднойнаноэлектроники.Особенностью данного направления является его чрезвычайно высокая наукоёмкость и отчётливый междисциплинарный характер: ни одна существующая область науки не может заявить свой приоритет в развитии этого направления. Отсюда – необходимость собрать «под одной крышей» специалистов разного профиля. Сегодня в России научно-инновационная деятельность настолько забюрократизирована, что серьёзные исследователи шарахаются от любых крупных Проектов, предпочитая участвовать в небольших разработках.В то же время нужда в крупных Проектах очевидна. В России сегодня есть много небольших научных групп, объединяющих специалистов высочайшего уровня в области естественных и технических наук. Их неформальное (а в перспективе – может быть и организационное) объединение вокруг Проекта уровня Атомного проекта 40-60-х годов или Космического проекта 60-70-х годов или на худой конец – Проекта типа высокотемпературной сверхпроводимости 80-90-х годов прошлого века – вполне актуальная и, по-видимому, реальная задача. Высококвалифицированные специалисты не видят такого Проекта среди той суеты, которая идёт вокруг нанотехнологий или Сколково и поэтому чураются каких-либо шагов в этом направлении. Все эти лоты и программы Миннауки, Роснано, Ростехнологии, Росатома и т.п., многостраничные анкеты из 60–70-ти пунктов, заполнение разнообразных форм, поиск мифических частных инвесторов и т.п. – воспринимаются как безумные бюрократические игры.Работа должна вестись так, как был организован Атомный проект, с одной стороны, и как сегодня работает американское агентство DARPA (DefenseAdvancedResearchProjectsAgency), с другой. Поскольку ожидать рождения у нас новой формы общения государства и научно-инженерного сообщества, какой является DARPA, не приходится, то оптимальным, по-видимому, было бы возвращение к «хорошо забытому старому» - системе Атомного проекта СССР 40-60-х годов. Предлагаемый Проект – задача того же уровня на сегодняшний день. Это задача стратегического масштаба. Безопасность, обороноспособность страны, интеллектуальный уровень и комфорт ее людей определяется мощью её экономики. Мощь современной экономики определяется степенью её насыщения микропроцессорами и электроникой, которыми теперь пронизано все живое и неживое. Современная электроника подошла к очередному своему рубежу – необходимости перехода на новую платформу – углеродную. Этот переход в условиях нашей страны представляется возможным только на государственной основе.Т.е. должен найтись кто-то, который, как когда-то Флеров Сталину, объяснит популярно руководству страны суть и значимость проблемы. Руководство страны поняв, что углеродная электроника - неизбежная реальность ближайшего времени – будут вынуждены принять радикальные решения по перестройке всей элементной базы информационных технологий ближайших десятилетий, как военных, так и бытовых. Все эти судорожные попытки «возродить» великолепную электронную промышленность 70-ых – 80-ых годов, создать собственное производство электронного кремния в Усолье Сибирском и т.п. шаги сразу теряют всякий смысл. Необходимо не догонять, а сразу перепрыгнуть через несколько ступеней и активно включиться в создание основ элементной базы информационных технологий второй половины 21-го века.Нужно отдавать себе отчёт в том, что сколь бы энергично и быстро мы не взялись за реализацию такого Проекта, придётся работать в условиях жесточайшей конкуренции. Ведущие транснациональные корпорации в области информационных технологий уже начали бег на этой дистанции и с каждым днём будут его ускорять. Число публикаций (и патентов) по графеновой тематике удваивается каждые 1,5 месяца.ЗаключениеПодводя итог обзора, следует отметить, что сегодняшнее состояние развитиянанофотоники можно сравнить с состоянием микроэлектроники до изобретения транзистора. Грядущий качественно новый уровень нанофотоники связан с созданием оптическихлогических устройств, оптоэлектронных процессоров и компьютеров с архитектурой, подобной мозгу человека, стереоскопической системой визуализации информации, подобнойзрительному процессу и т. д.На сегодняшний день значительные успехи достигнуты в области создания солнечныхбатарей на основе различных комбинаций сопряжённых полимеров и производных фуллеренов путём создания так называемого объёмного 𝑝–𝑛-гетероперехода. В самых последнихпубликация сообщается о достижении рекордных значений эффективности преобразования света достигающих 8–10%. В гибридных солнечных батареях с использованиемквантовых точек достигнута эффективность преобразования света около 5%.Органические электролюминесцентные устройства по ряду своих функциональных характеристик приближаются к неорганическим полупроводниковым светодиодам. Наиболеевысокие показатели достигнуты с использованием люминесцирующих металлоорганических комплексов и молекулярных органических флуорофоров. Полимерные электролюминесцентные системы имеют более низкие характеристики, но благодаря более доступной ипростой технологии производства могут быть конкурентоспособными в определённых областях применения. Использование квантовых точек в качестве люминесцентного компонентапозволяет надеяться на значительное увеличение срока службы таких устройств.Литература1. Asian Technology Information Program (ATIP). Report: ATIP97.030: The Solar Cell Industry in Japan. 2. http://www.solarbuzz.com/StatsCosts.htm3. Shaheen S.E., Ginley D.S., Jabbour G.E. // MRS Bullet. — 2005. — V. 30. — P. 102.4. Konarka Technologies, http://www.konarkatech.com/5. Tang C.W. // Appl. Phys. Lett. — 1986. — V. 48. — P. 183.6. Rand B.P., Xue J., Yang F., Forrest S.R. // Appl. Phys. Lett. — 2005. — V. 87. — 233508.7. Mutolo K.L., Mayo E.I., Rand B.P., Forrest S.R., Thompson M.E. // Am J. Chem. Soc. —2006. — V. 128. — P. 8108.8. Troshin P.A., Troyanov S.I., Boiko G.N., LyubovskayaR.N., Lapshin A.N., GoldshlegerN.F. // Fuller. Nanot.Carb.Nanostruct. — 2004. — V. 12. — P. 435–441.9. Koeppe R., Troshin P.A., Lyubovskaya R.N., Sariciftci N.S. // Appl. Phys. Lett. — 2005. —V. 87. — 244102.10. Troshin P.A., Koeppe R., Peregudov A.S., Peregudova S.M., Egginger M., LyubovskayaR.N., Sariciftci N.S. // Chem. Mater. — 2007. — V. 19. — P. 5363–5372.11. Peumans P., Forrest S.R. // Appl. Phys. Lett. — 2001. — V. 79. — P. 126–128.12. Drechsel J., Mannig B., Kozlovski F., Gebeyehu D., A. Werner, Koch M., Leo K., PfeifferM. // Thin Solid Films — 2004. — V. 451. — P. 515–517.13. Hoppe H., Sariciftci N.S. // Mater J. Res. — 2004. — V. 19. — P. 1924–1945.