Ученые разработали новый класс органических полупроводников на основе диазафлуорена, которые демонстрируют высокую стабильность на воздухе в качестве активного слоя n-канальных транзисторов и высокую чувствительность сенсоров для обнаружения сероводорода. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Органическая электроника — перспективная область, которая предлагает гибкие, легкие и дешевые альтернативы традиционным кремниевым устройствам. Ее применение открывает путь к созданию носимых медицинских датчиков, складных дисплеев и даже интеллектуальных упаковок нового поколения. Однако создание стабильных и эффективных органических полупроводников n-типа (проводящих электроны), способных работать на воздухе, а не в инертной атмосфере, остается серьезной научной задачей. Эта проблема долгое время сдерживала разработку полноценных комплементарных схем и сложной органической логики, требующей как p-, так и n-типов проводимости.
Ученые из Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова синтезировали серию новых соединений на основе 4,5–диазафлуорена. Эта стратегия является результатом целенаправленного поиска устойчивых электроноакцепторных архитектур. Ключевая особенность структуры 4,5–диазафлуорена — наличие атомов азота, которые придают материалу сильные электроноакцепторные свойства, необходимые для переноса отрицательных зарядов, а также сенсорную способность. Введение атомов азота в сопряженную систему позволило значительно понизить энергетические уровни молекулы, обеспечивая как высокую электронную подвижность, так и исключительную стабильность в условиях атмосферного воздействия.
Ученые синтезировали серию производных диазафлуорена с различными донорными и акцепторными фрагментами, что позволило тонко настраивать их электронные свойства. Наилучшие результаты показало соединение с дицианометилиденовым фрагментом.
На основе данного соединения были созданы органические полевые транзисторы (OFET). Впервые для диазафлуореновых производных обнаружен эффективный транспорт зарядов. Устройства на основе монокристаллов и тонких пленок продемонстрировали электронную подвижность. Важнее всего, что тонкопленочные транзисторы сохраняли свою работоспособность в воздушной атмосфере, что является редкостью для полупроводников n-типа.
Тонкопленочные транзисторы были успешно применены в качестве газовых сенсоров. Устройства продемонстрировали четкий и быстрый отклик на крайне низкие, суб-ppm концентрации сероводорода (H₂S) в воздухе — на уровне 500 миллиардных долей. Чувствительность к H₂S объясняется способностью молекул полупроводника связываться с этим газом.
С помощью рентгеноструктурного анализа также была определена кристаллическая структура всех соединений, показана плотная упаковка молекул, благоприятная для переноса заряда. Квантово-химические расчеты подтвердили высокий потенциал разработанных материалов для применения в электронных устройствах.
Это исследование открывает путь к созданию новых стабильных на воздухе органических электронных устройств, таких как компоненты гибкой электроники, высокочувствительные сенсоры и устройства «электронный нос» для мониторинга окружающей среды и диагностики заболеваний по выдыхаемому воздуху.
«Нам удалось создать молекулу, которая сочетает в себе три ключевых свойства: низкий уровень граничных орбиталей для эффективного переноса электронов и стабильности, относительно низкий дипольный момент для минимизации ловушек заряда и химическую функциональность для сенсорного отклика на целевые газы. Производные диазафлуорена — это перспективные кандидаты для практического применения в органической электронике», — прокомментировал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, доктор химических наук, заведующий Лабораторией органической электроники, Максим Казанцев.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
