Коротко


Подробно

2

Фото: Лаборатория органической электроники СФТИ ТГУ

Новый метод эпитаксии соединит живое с мертвым

Нанотехнологии

Научная группа доктора физико-математических наук, профессора Татьяны Копыловой, заведующей лабораторией органической электроники Томского государственного университета, разработала новый метод молекулярной послойной эпитаксии (molecular layer epitaxy, MLE) и запустила первую в мире экспериментальную установку, работающую по этой технологии. MLE дает возможность создавать материалы нового поколения для молекулярной наноэлектроники, что в будущем позволит обеспечить связь живых существ с электронными устройствами.


Молекулярная наноэлектроника


В этом году исполняется 20 лет с момента публикации статьи группы Марка Рида "Conductance of a molecular junction" в журнале Science — о возможности электронного транспорта через отдельно взятую молекулу (бензина). Таким был первый экспериментальный шаг молекулярной наноэлектроники, которую теоретически обосновали Арье Авирам и Марк Ратнер еще в 1974 году.

На молекулярную наноэлектронику возлагались большие надежды: сочетать дешевое производство органических материалов и полимеров с созданием полупроводниковых устройств на их основе. В конце 1990-х годов казалось, что получится сделать полимерный экран, равный по себестоимости обычному пластиковому пакету. В начале 2000-х экспериментальная молекулярная наноэлектроника продолжала выдавать яркие результаты: например, была показана возможность транспорта через молекулу ДНК, продемонстрирована возможность создавать транзисторы с множественными устойчивыми состояниями (на основе молекулы ротоксана), были опубликованы статьи по спиновому транспорту в органических молекулах (что открывало возможность создания совершенно нового класса материалов для молекулярной спинтроники и молекулярного магнетизма). Опыты пo совмещению органических молекул с биологическими объектами, такими как ДНК, протеины и нейроны, давали основание надеяться на возможность считывать биологические сигналы и управлять процессами в живых организмах при помощи электронных устройств, а также сочетать нейронные сети с полупроводниковыми технологиями.

К сожалению, надежды на быстрый прогресс в молекулярной наноэлектронике не оправдались. Действительно, компания Samsung выпустила пять лет назад телевизоры на основе органических молекул, но стоили они столько же, сколько аналогичные модели из неорганических полупроводников. Попытки создать эффективные солнечные батареи на основе органики провалились, за исключением ячеек Гратцеля, на которые все еще возлагаются большие надежды.

Хуже того, обнаружилось, что некоторые ученые подделывали результаты своих работ по молекулярной наноэлектронике, а другие неверно интерпретировали их: к примеру, теперь уже общепризнано, что интерпретация транспорта через отдельные молекулы в основополагающей статье Рида была ошибочна.

Подобная ситуация сложилась неслучайно. Во-первых, ученые, работающие в молекулярной наноэлектронике, концентрировали усилия на практическом применении материалов, а не на их разработке и структурных исследованиях. Понятно, что сообщение о новом приборе с рекордными характеристиками звучит эффектнее, чем детальное инженерно-материаловедческое исследование его структуры. Во-вторых, так и не удалось разработать адекватную модель транспорта — ни в отдельной молекуле, ни в полимере, ни в гибридной структуре. Все 20 лет ученые усиленно пытались приспособить к этому различные модели физики твердого тела (разработанной для неорганических полупроводников), не слишком задумываясь, что эти модели не работают в органических средах.

Сейчас молекулярная наноэлектроника все более приобретает форму классической науки, в которой разработка новых приборов и практическое применение научных результатов работ с отдельными молекулами совмещается с методичными исследованиями структуры и свойства органических веществ.

Молекулярная наноэлектроника наконец получила и давно ожидаемую научную и финансовую поддержку со стороны биологии и медицины: стали публиковаться исследования высокого уровня о транспорте в биологических объектах, в частности, в молекулах ДНК. Надо сказать, что биологические молекулы типа ДНК очень схожи по структуре с молекулами, используемыми в молекулярной наноэлектронике. Понимание механизмов транспорта зарядов в биологии позволит значительно продвинуться в понимании аналогичных механизмов в молекулярной наноэлектронике — и наоборот.

А в прошлом году Google и британская фармацевтическая компания GlaxoSmithKline создали биоэлектронную компанию для применения миниатюрных электрических имплантов при лечении хронических заболеваний головного мозга — с потенциалом последующей разработки интерфейса между мозгом и электроникой. Это путь к принципиально новым способам диагностики и лечения нейродегенеративных заболеваний и борьбы со старостью. Следующими шагами могут стать исследования, которые пока звучат научной фантастикой, в частности, расшифровка работы мозга, создание слепка человеческой личности в компьютере и возможность бесконечной жизни ex situ. В нынешнем году американский бизнесмен Илон Маск вошел в подобный проект, направленный на установление связи между мозгом и компьютером.

Надо отметить, что только молекулярная наноэлектроника способна обеспечить надежный интерфейс между биологическими объектами (нейронами) и традиционными материалами электроники (металлами и полупроводниками).

Кроме биологии, наиболее перспективным направлением молекулярной наноэлектроники считается создание элементной базы, которая отсутствует на рынке современных технологий, например, органического транзистора с многоуровневыми затворами, органического спинового транзистора, который способен переносить спин электрона в дополнение к переносу заряда. Это должно привести к экспоненциальному увеличению производительности компьютеров.

Появляются и новые задачи молекулярной наноэлектроники, например, разработка каталитических наномембран для технологий искусственного листа (искусственного фотосинтеза), способных превращать выхлопные газы в топливо при помощи энергии солнечного света.

Молекулярная слоистая эпитаксия (от греческих "эпи-" — над и "таксис" — расположение). Способ организации структур, когда структура верхнего слоя управляется структурой и химическим составом предыдущего слоя. На рисунке показана схема эпитаксии. Сначала на субстрат 1 (слева вверху) устанавливается "якорный слой" (стрелка "a"), образуется структура 2. Далее на 2 наносится слой молекул А (стрелка "b"), образуется структура 3 с двумя собранными слоями. Далее наносится слой молекул B (стрелка "d"), образуется структура 4. Таким образом можно собрать структуру необходимой толщины с чередующимися слоями (стрелка "e") — образуется сверхструктура 5. Существенно, что слой A приспособлен к принятию слоя B, и наоборот, невозможно собрать более одного слоя только A или только B

Молекулярная слоистая эпитаксия (от греческих "эпи-" — над и "таксис" — расположение). Способ организации структур, когда структура верхнего слоя управляется структурой и химическим составом предыдущего слоя. На рисунке показана схема эпитаксии. Сначала на субстрат 1 (слева вверху) устанавливается "якорный слой" (стрелка "a"), образуется структура 2. Далее на 2 наносится слой молекул А (стрелка "b"), образуется структура 3 с двумя собранными слоями. Далее наносится слой молекул B (стрелка "d"), образуется структура 4. Таким образом можно собрать структуру необходимой толщины с чередующимися слоями (стрелка "e") — образуется сверхструктура 5. Существенно, что слой A приспособлен к принятию слоя B, и наоборот, невозможно собрать более одного слоя только A или только B

Молекулярная послойная эпитаксия — новый метод молекулярной наноэлектроники


Среди многочисленных методов создания материалов с заданными свойствами в молекулярной наноэлектронике следует отметить методы так называемого мокрого синтеза (ленгмюровские пленки, самособирающиеся монослои, сборка структур из растворов на основе электростатических взаимодействий) и методы создания послойных структур из газовой фазы (органическая молекулярно-лучевая эпитаксия, другие высоковакуумные методы, технологии осаждения из газовой фазы при низком вакууме, известные как CVD-технологии). Все перечисленные методы имеют свои достоинства и недостатки.

Например, "мокрые" методы способны создавать более прочные химические связи между органическими слоями — если сравнивать с методами производства наноэлектронных структур из "паровой" фазы. Однако "мокрые" методы очень трудоемки (создание одного монослоя занимает сутки), и в их структуре всегда присутствуют растворители, которым по силам "убить" всю эффективность прибора. Кроме того, целый ряд интересных, но нерастворимых органических веществ остается за гранью "мокрой" химии.

Вакуумные методы создания послойных структур из газовой фазы способны наносить органические пленки быстро и в чистой атмосфере. Они полностью совместимы с современными полупроводниковыми технологиями. Однако ни один из них не способен создать прочные ковалентные связи между слоями, что ограничивает область применения получаемых структур.

Главный недостаток современных молекулярных наноэлектронных устройств — нестабильность. Они нестабильны при длительном времени использования, при повышенной температуре, при сильных электрических полях. Нестабильны настолько, что часто даже напыление электродов представляет проблему. Причина — в слабых связях внутри получаемых пленок.

Электролюминисценция (свечение при приложении электрического поля) для двух собранных молекулярной послойной эпитаксией структур из чередующихся слоев двух разных молекул — нафталентетракарбоксидиангидрида (naphalene tetracarboxydianhydride, NTCDA) и диаминогексана (diaminehexane, DAH).

Электролюминисценция (свечение при приложении электрического поля) для двух собранных молекулярной послойной эпитаксией структур из чередующихся слоев двух разных молекул — нафталентетракарбоксидиангидрида (naphalene tetracarboxydianhydride, NTCDA) и диаминогексана (diaminehexane, DAH).

Другой проблемой молекулярной наноэлектроники является своего рода технологический тупик: конечно, не все, что можно было сделать, уже сделано, и периодические новые идеи появляются, но "кривая возможностей" находится явно на участке насыщения.

Группа профессора Копыловой из Томского государственного университета в коллаборации с коллегами из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити разработала новый метод производства структур для молекулярной наноэлектроники, названный молекулярной послойной (или слоистой) эпитаксией (MLE). Метод основан на использовании современного оборудования для быстрого и чистого нанесения органических слоев, но, в отличие от других "газовых" методов, MLE позволяет осуществить химическую самосборку слоев с образованием прочных ковалентных связей между ними. В основе технологии — последовательное наращивание слоя на поверхности подложки из отдельных молекул паров разогретого органического вещества.

Специально сконструированная под технологию MLE вакуумная установка была разработана и собрана на основе самых современных тонкопленочных технологий. Эта установка разогревает исходные вещества до высоких температур в условиях вакуума. Испаренные молекулы особым образом захватываются и размещаются на подложке послойно, образуя тончайшую пленку. Эти искусственные субмикронные органические структуры характеризуются высокой степенью упорядочения и прочными ковалентными связями между слоями.

MLE-метод позволяет создать материалы на основе вложенных органических-неорганических решеток — структур, в которых серии органических слоев контролируемым образом "вложены" в серию неорганических слоев. Подобные структуры никогда не производились и не были исследованы. Такие гибридные материалы могут обладать принципиально новыми свойствами, а спектр их применения чрезвычайно широк: от широкополосных фотодетекторов, тандемных солнечных батарей, компактных преобразователей энергии и гибридных лазеров до новых классов твердотельных аккумуляторов, наногенераторов и до создания биоинтерфейсов. Главная характеристика MLE-метода — способность создавать стабильные структуры. Вследствие этой особенности MLE-метод является практически единственным кандидатом для создания интерфейса между биологическими объектами и электроникой.

Следует также упомянуть, что исследование органических MLE-материалов с предсказуемыми свойствами способно пролить новый свет на природу транспорта (переноса заряда и/или спина) в органических средах. Отсутствие ее понимания является основным препятствием в формулировании принципов органической физики твердого тела. Похожую взаимосвязь можно проследить между пониманием электронных процессов в биологических объектах и прогрессе в разработке биотехнологий, связанных с переносом зарядов.

Конкурирующие с молекулярной слоистой эпитаксией технологии молекулярной наноэлектроники

Жидкофазные методы (solution derived methods) основаны на химабсорбции. Структуры, полученные этим методами, страдают от временной и термической нестабильности, плохих механических характеристик, плохо очерченных интерфейсов, долгих времен депозиции и нежелательных взаимодействий с растворителем. Методы не подходят для нерастворимых веществ. Жидкофазные методы используются в научных лабораториях и не приспособлены для использования в промышленности.

Вакуумные методы (UHV- and CVD-derived methods) основаны на физабсорбции. Требуют соответствия геометрических характеристик накладываемых друг на друга слоев, что ограничивает их применимость. Пока не было показано эффективное нанесение этими методами стабильных монослоев.

Владимир Буртман, ведущий ученый лаборатории органической электроники Сибирского физико-технического университета ТГУ, профессор-исследователь Университета штата Юта

Материалы по теме:

Журнал "Коммерсантъ Наука" от 20.06.2017, стр. 16
Комментировать

Наглядно

все спецпроекты

актуальные темы

все темы
все проекты

обсуждение