מחשבים אורגניים קרובים מתמיד

מדענים מאוניברסיטת מוסקבה גילו מולקולה שתוכל לסייע בפיתוחם של התקנים אלקטרוניים המבוססים על חומרים אורגניים

צוות של חוקרים מאוניברסיטת מוסקבה בשיתוף פעולה עם עמיתיהם מגרמניה (המכון למחקר פולימרים בדרזדן) הצליח לגלות מולקולה שלדעתם תוכל להביא תועלת לפיתוחם של התקנים אלקטרוניים המבוססים על חומרים אורגניים. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב-העת המדעיAdvanced Materials. החוקרים מצאו כי נגזרת של החומר [3]-radialene (ויקיפדיה), מולקולה הידועה למדע מזה שלושים שנים, ניתנת לשימוש לייצור מוליכים-למחצה אורגניים. המדענים מאמינים כי ההישג המחקרי שלהם יתרום תרומה משמעותית לפיתוח של רכיבי אלקטרוניקה אורגניים, ובמיוחד, לייצור של דיודות פולטות אור אורגניות ומשפחות חדשות של תאים סולאריים אורגניים.

רכיבי אלקטרוניקה אורגניים, או “מבוססי פלסטיק”, מהווים תחום מדעי חדש יחסית, שהגיח לעולמנו לפני כעשרים שנים. מטרתו של תחום זה הוא הפיתוח של התקני אלקטרוניקה המבוססים על חומרים אורגניים. יחד עם זאת, סוגי התקנים כאלו עדיין נחותים בביצועיהם וביציבותם בהשוואה לרכיבי אלקטרוניקה נפוצים המבוססים על סיליקון. למרות זאת, לסוג זה יש גם יתרונות – בהירות התצוגה, דקיקות, גמישות, שקיפות והחשוב ביותר – רכיבי אלקטרוניקה מפלסטיק הרבה יותר זולים ממקביליהם הסיליקוניים. היישומים העיקריים של רכיבי אלקטרוניקה אורגניים כוללים תאים סולאריים, שיהיו הרבה יותר זולים ממקביליהם הנפוצים. בנוסף, רכיבי אלקטרוניקה אורגניים יוכלו לשמש בתכנון של התקנים פולטי אור אורגניים וטרנזיסטורים חדשניים.

המולקולה המדוברת היא מסוג ‘חומר מאלח’, כזו שהוספתה לפולימר מוליך-למחצה מגבירה משמעותית את המוליכות החשמלית שלו. השימוש בחומרים מאלחים בתחום של מוליכים-למחצה אי-אורגניים רווח מזה כעשורים, אולם, תחום זה פחות מפותח מבחינת מוליכים אורגניים. כיום, החומרים הנפוצים ביותר הם חומרי אילוח מבוססי פלואור. בשילוב עם מוליכים-למחצה אורגניים שונים, חומרי אילוח אלו מסוגלים להגביר משמעותית את המוליכות החשמלית, אולם לא כל הפולימרים הנפוצים כיום מתאימים ליישום כזה. ביחד עם עמיתיהם, החוקרים החליטו לתכנן סוג חדש לחלוטין של חומר אילוח בעל משקל מולקולארי נמוך עבור תעשיית המוליכים למחצה האורגניים, מפרט החוקר הראשי. “ובשלב זה היה מאוד חשוב לבחור מולקולה שלא רק מתאימה ברמות האנרגיה שלה, אלא, יותר חשוב מכך, שתוכל להיות מעורבבת כראוי עם הפולימר, כך שהמגע ביניהם לא ייצור מתחמים נפרדים שיביאו לאובדן פעילות הפולימר המוגמר”. תרומתם העיקרית של מדעני המעבדה במסגרת מחקר זה כוללת את חקר הפיזיקה של מצבי המעבר, הפיזיקה של ערבוב שני רכיבים אלו, כלומר – מציאת החומר המתאים ביותר מבחינת התאמתו לפולימר.
והחוקרים אכן מצאו חומר כזה – תולדה של החומר [3]-radialene. זוהי מולקולה שטוחה קטנה שבה אטומי הפחמן מחוברים לכדי מבנה משולש. בין יתר תכונותיו, לחומר זה יש את רמת האנרגיה מסוג LUMO (האורביטלה המולקולארית הבלתי-מאוכלסת הנמוכה ביותר) האנרגטית ביותר. משמעות מאפיין זה קובעת כי רק עם מעט עזרה אנרגטית האלקטרונים יכולים לצאת מהפולימר המוליך למחצה, ולהפוך למטענים חופשיים המגבירים את המוליכות של החומר המאולח. המשמעות היא שחומר זה ([3]-Radialene) הופך להיות חומר האילוח החזק ביותר היודע כיום בתחום המוליכים למחצה האורגניים.

הניסויים שנערכו עם החומר, ואשר אומתו על ידי תוצאות של חישובים קוונטו-מכאניים, מראים כי החומר מתערבב היטב עם פולימרים מוליכים למחצה ומאפשר הגברה של המוליכות החשמלית של הפולימר פי עשרות ואפילו מאות מונים. התברר כי כאשר ריכוז חומר האילוח בפולימר הוא עד 50% לא מתרחשת הפרדת מופעים, אך המבנה הגבישי של הפולימר משתנה משמעותית. המשמעות היא כי מולקולות חומר האילוח משולבות בתוך הסריג הגבישי של הפולימר ויוצרות בכך מה שנקרה גביש-משותף. תצורה זו של החומר הסופי היא אחת הסיבות העיקריות ליעילותה הרבה של התרכובת החדשה.
התרכובת החדשה, והתולדות שלה, שייכות למשפחה של חומרי אילוח אורגניים מחוסרי-אלקטרוניים, מסביר החוקר הראשי. “מתמירים מסוג פלואור ידועים כמושכי אלקטרונים חזקים מהחלק המרכזי של המולקולה, תכונה שמגבירה את המוליכות הכוללת של הפולימר שעבר אילוח. במחקר הנוכחי, המבנה הכימי של חומר האילוח שונה לחלוטין, ולמעשה, מסתבר כטוב אף יותר. “שיעור הערבוב המעולה של חומר האילוח שלנו יחד עם הפולימר הוא המקור לפעילות המעולה של החומר הסופי שלנו. תוצאה זו תוכל לסלול את הדרך לייצורם של תאים סולאריים וטרנזיסטורים חדשים בעלי תכונות משופרות”.