Разработан новый метод сборки многокомпонентных пленок нанометровой толщины с фотоэлектрическими свойствами
© Langmuir
Развитие электроники последние десятилетия неразрывно связано с миниатюризацией устройств. Это ставит перед учеными задачу по поиску новых способов получения ультратонких пленок (толщиной не более нескольких десятков нанометров), которые смогут заменить один или сразу несколько компонентов электронных устройств большего размера. Как граница между двумя фазами, например воздухом и водой, может служить платформой для самопроизвольной сборки ультратонких покрытий, способных превращать свет в электричество, рассказала кандидат химических наук Александра Звягина на всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах».
Последовательное уменьшение размеров электронных устройств в будущем приведет к тому, что каждая деталь устройства будет состоять из одной молекулы. Сейчас ученые уже умеют обращаться со столь малым числом молекул или атомов, что оно поддается счету, и создавать из них наноразмерные материалы: наночастицы, нанопровода, ультратонкие пленки, или покрытия. Из этого перечня пленки — это наиболее удобная форма материала, так как существующие технологии производства электронных компонентов используют последовательное наслаивание покрытий из разных материалов. От того, какие вещества будут объединены в пленке и как они будут связаны между собой, зависит, какую функцию такая пленка сможет выполнять. Например, можно создать фотовольтаические элементы, которые могут превращать свет в электрический ток.
Ученые из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН) предложили новый метод одностадийной сборки нескольких компонентов — неорганических плоских частиц, органических молекул и ионов металлов — в ультратонкую пленку и продемонстрировали, что такая пленка может быть использована как преобразователь света в электрический ток. Работа опубликована в журнале Langmuir . Технически метод выглядит очень просто: в водный раствор трех компонентов погружают твердую подложку, сверху раскапывают четвертый компонент, растворенный в гексане. Через 40 минут ученые вертикально и очень медленно извлекают подложку из раствора. Очевидный плюс предлагаемого метода — нет необходимости в сложных установках с высоким давлением или температурой. При этом за одну стадию можно контролируемо собрать целых четыре компонента в заданную структуру.
Вся «фишка» в составе пленки. Он подобран таким образом, что, с одной стороны, каждый компонент выполняет определенную роль, а с другой — они могут самопроизвольно связываться между собой на границе воздуха и воды. В качестве компонентов, растворимых в воде, российские химики использовали оксид графена, перилен и ацетат цинка. Оксид графена — это дешевая и легкая в получении окисленная форма графена. Он представляет собой плоские листочки толщиной в один атом углерода с карбоксильными группами по краям. Оксид графена выполняет роль основы, на которой собираются остальные компоненты. Карбоксил-замещенный перилен — это органический краситель, эффективно поглощающий видимый свет. Также ученые использовали растворимую в гексане пентакозадииновую кислоту. После облучения ультрафиолетовым светом она превращается в токопроводящий полимер, также поглощающий видимый свет. Все эти компоненты содержат карбоксильные группы, которые могут связываться между собой через ионы металлов со степенью окисления II, поэтому ацетат цинка выступает в такой системе как молекулярный «клей».
После того, как ученые раскапали раствор пентакозадииновой кислоты по поверхности водного раствора, одновременно стартуют три физико-химических процесса. Испарение легколетучего гексана провоцирует молекулы кислоты выстаиваться в плотный слой на поверхности воды. Листы оксида графена и молекулы перилена подходят к границе между водой и воздухом и адсорбируются на слое кислоты. Ионы цинка связывают карбоксильные группы всех компонентов между собой, формируют единую пленку на межфазной границе. После переноса на подложку и облучения ультрафиолетом получается пленка толщиной от 3 до 30 нм. Она состоит из слоя листов оксида графена с распределенными в нем молекулами перилена, а поверх слоя лежат полоски полимера, которые как пластырь скрепляют листы оксида графена между собой. Пленка поглощает свет в широком диапазоне длин волн (от 500 до 650 нм). Несмотря на очень небольшое число молекул перилена и полимера, содержащихся в пленке, они не выгорают под действием света, хотя фотодеградация органических соединений является серьезной проблемой органической солнечной энергетики. За стабильность пленки отвечает оксид графена, который оттягивает на себя избыток энергии, которую получают молекулы при освещении.
Для того чтобы проверить, может ли пленка при такой малой толщине работать в качестве активного слоя фотовольтаической ячейки, ученые поместили ее между двумя электродами и добавили слой полимера, облегчающий транспорт носителей заряда. Исследователи показали, что даже при такой малой толщине поглощающего слоя, ячейка реагирует на свет — появляется фототок. При этом если из пленки убрать хоть один компонент, фотофизические свойства ячейки либо ухудшаются, либо пропадают совсем.
Предложенный учеными ИФХЭ РАН метод сборки многокомпонентных пленок можно назвать универсальным. Он может быть легко адаптирован под другие составы пленок, которые позволят получить покрытия с новыми свойствами. Исследователи уверены, что технологии, основанные на минимизации количества используемого материала и самопроизвольном течении процесса сборки компонентов, способны обеспечить будущий прогресс в области «зеленой» безотходной микроэлектроники.
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».