אלקטרוניקה אורגנית

המטרה: התקנים אלקטרוניים זעירים, יעילים וידידותיים לסביבה. האמצעי: ליכלוך מדויק של שכבות חד-מולקולריות

אחת הדרכים לשפר משהו, היא “לקלקל” אותו מעט. כך, למשל, פלדה היא ברזל “מזוהם” במעט פחמן. תעשיית האלקטרוניקה המודרנית התפתחה והתבססה בזכות היכולת להכין מוליכים-למחצה כמו צורן (סיליקון) בדרגת ניקיון כה גבוהה, עד שניתן לזהם (“לאלח”) אותם באופן מדוד ומבוקר. האילוח הוא שמאפשר לכוון את תנועת האלקטרונים דרך המוליך-למחצה וכך לשלוט בתכונותיו החשמליות.
צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע, בשיתוף עם מדענים אמריקאיים, הצליחו באחרונה ליישם לראשונה את התהליך הזה בתחום האלקטרוניקה המולקולרית. הכדאיות שבפיתוח אלקטרוניקה מולקולרית המבוססת על חומרים אורגניים נובעת מכמה יתרונות: ראשית, קיים מגוון עצום של מולקולות אורגניות, וחלקן זולות בהרבה מהמוליכים-למחצה בהם משתמשים כיום. שנית, החומרים האורגניים מתכלים – ולכן הם ידידותיים יותר לסביבה. ושלישית, המבנה הגמיש שלהם מאפשר לתכנן ולבצע שינויים בקלות יחסית, וכך להשפיע על תכונותיהם החשמליות של ההתקנים המורכבים מהם. הקשיים העיקריים ביישום האלקטרוניקה המולקולרית, נובע מהצורך להשתמש בחומרים אורגניים נקיים במידה מספקת, וכן למצוא דרכים יעילות כדי לאלח אותם.
האלקטרוניקה המולקולרית היא אחת מגישות המחקר באלקטרוניקה חומרים אורגנית  ומבוססת על מולקולות בודדות, או שכבות, שעוביין אינן עולה על זה של מולקולה בודדת. פרופ' יעקב סגיב מהמחלקה לחקר חומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, החל לבצע מחקר על שכבות אלה כבר לפני כ-25 שנה. עבור אלקטרוניקה הבעיה היא שמדובר במערכות עדינות, שקשה לטפל בהן באופן מדויק, ועד לאחרונה לא היה ברור אם אפשר בכלל לאלח אותן.
כאן נכנסו לתמונה פרופ' דוד כאהן והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד”ר אוליבר סייטז מהמחלקה לחומרים ופני שטח שבפקולטה לכימיה, שפעלו בשיתוף עם ד”ר אילת וילן וחגי כהן מהיחידה לתשתיות מחקר כימיות במכון ויצמן ועם פרופ' אנטווין קאהן, פרופ' אורח במכון מאוניברסיטת פרינסטון. בכוחות משותפים עלה בידם להראות לראשונה כי אילוח כזה הוא אכן אפשרי.
השלב הראשון בעבודתם של החוקרים היה, אם כן, “לנקות” את השכבה מפגמים. עבודת הנמלים הדקדקנית כללה תהליכים ממושכים של ייבוש, ניקוי, הרחקת חמצן ועוד. החוקרים השתמשו בסוג פשוט של מולקולות אורגניות, הדומות ל”אוקטן” המצוי בדלק, שהן מבודדות מבחינה חשמלית. ואכן, המדידות החשמליות הראו כי זרם האלקטרונים העובר דרך השכבה הדקה, דומה לזה העובר דרך מבודד אידאלי. משמעות התוצאה היא שהמערכת מכילה אמנם רמה מסוימת, בלתי-נמנעת, של פגמים, אך אלו כבר אינם מכתיבים את התנהגות האלקטרונים.
כעת, לאחר שהייתה ברשותם מערכת נקייה, החלו המדענים “ללכלך” אותה, כלומר לבצע אילוח. כדי לעשות זאת הם הקרינו את המשטח באור אולטרה-סגול או בקרן אלקטרונים חלשה. כתוצאה מכך חל שינוי כימי בהרכב של שרשרות הפחמנים המרכיבים את השכבה המולקולרית, ונוצרו קשרים כפולים בין אטומי הפחמן. קשרים אלה משפיעים על תנועת האלקטרונים דרך המולקולות.

פרופ' כאהן: “השיטה שפיתחנו מאפשרת להתחיל את העבודה עם מערכת שמתנהגת כאידאלית, בה יש שכבה אחידה מספיק של מולקולות, שהן (ולא הפגמים) מכתיבות את אופי מעבר האלקטרונים דרך השכבה. לאחר שקיימת מערכת אידאלית כזו, ניתן לשנות אותה על-פי הצרכים באמצעות אילוח, וכך לשלוט בתכונות ההולכה החשמלית”. השיטה החדשה תוארה באחרונה בכתב-העת המדעי של האגודה האמריקאית לכימיה. המדענים אומרים שהיא תאפשר להרחיב במידה משמעותית את השימוש בשכבות אורגניות חד-מולקולריות בתחום הננו-אלקטרוניקה. ד”ר סייטז: “אם מותר להיות מאד אופטימי, וקצת לחלום, יכול להיות שבשיטה זו אפשר יהיה ליצור התקנים חשמליים זעירים, שונים, ואולי גם יותר ידידותיים לסביבה, בהשוואה להתקנים הקיימים כיום”.