От молекулы до устройства
В нашей лаборатории органической электроники проходится целый путь — от молекулы до устройства. Студенты здесь начинают с порошка, химического вещества, из него делают пленку, потом напыляют электроды и измеряют характеристики получившегося устройства.
«Органика» в нашем контексте — это органические вещества с полупроводниковыми свойствами. Часто они имеют полосу поглощения в видимом диапазоне (имеют окраску), проявляют фото- и электролюминесценцию.
Комната напыления пленок
Первая комната у нас располагается на третьем этаже. Все начинается с мытья подложек, потому что будет хорошая чистая подложка — вырастет нужная плёнка. Подложка моется последовательно в нескольких жидкостях в ультразвуковой ванной, а потом обрабатывается ультрафиолетовым светом (кварцевой лампой). Поскольку это плазма, это такая финальная сухая чистка. Подложки используются разные — есть стеклянные, есть с заранее нанесенными электронами, есть кремниевые.
Потом берётся баночка с нужным веществом, взвешивается на весах с точностью до 0.1 мг. Вещество смешивается с растворителем и ставится на плиту с подогревом и «магнитной мешалкой»: в сосуд помещается магнит, который двигается и перемешивает раствор.
Следующий этап — нанесение пленки. У нас есть такой аппарат, называется спинкоутер* — его идея в том, что подставка с подложкой вращается вокруг оси с определенными ускорением и скоростью. Если во время вращения на подложку капнуть раствор, то капля растянется под действием центробежной силы и получается жидкая пленка, которая затем высыхает и затвердевает.
Можно пользоваться другим методом — так называемой ножевой техникой*. В этом случае капля раствора ставится на подложку, палочка входит в контакт с каплей и тянет ее за собой. Положение палочки контролируется шаговым двигателем. Установку по реализации этой техники собрала наша сотрудница.
На этом этапе мы можем забрать получившуюся пленку и исследовать ее характеристики. Если же мы хотим сделать устройство, то наносим электроды в вакуумной камере. Здесь мы напыляем металлы через разные маски, которые задают «узоры». Сейчас камера отжигается, чтобы испарить все остатки органики и сделать хороший вакуум перед напылением. В боксе поддерживается очень низкая влажность и концентрация кислорода — порядка одной молекулы на миллион частиц, это делается, чтобы минимизировать контакт с активными веществами. Металл наносится методом терморезистивного испарения — через него пропускается большой ток при малом напряжении, в результате чего происходит нагрев и испарение. Толщина нанесенного слоя контролируется специальным датчиком из кварца — при попадании на него массы частота механических колебаний смещается из резонанса. Точность такого датчика позволяет отследить изменение толщины на ангстремы!
Чистая подложка должна идеально смачиваться водой — а как это проверить? Нужно измерить контактный угол. Тут у нас есть специальный прибор, где на подложку наносится капля, фотографируется и измеряется контактный угол — так мы понимаем, насколько хорошо подготовлена подложка.
А это наша самостоятельно собранная установка для нанесения парилена — это полимер, который используется в качестве подзатворного диэлектрика в транзисторах. Парилен наносится из паровой фазы — прекурсор* нагревается до температур в 600–700 градусов, в процессе полета прекурсор разлагается и затем осаждается и полимеризуется на подложке.
Трубы для роста кристаллов
Это одна из главных компонент в нашей работе — труба для роста кристаллов и очистки органических соединений. Это кварцевая труба с периодической намоткой, которая создает неравномерное распределение температуры — на одном краю температура выше, а на другом ниже. В трубе создается высокий вакуум, и затем в нее помещается нужное вещество. Вещество испаряется, пролетает некоторый путь, постепенно охлаждается и осаждается на фольге. Чем тяжелее примесь, тем меньший путь пролетят ее частицы.
В итоге получается распределение веществ по длине, там мы находим целевое вещество и соскребаем его для использования. Процесс можно повторять несколько раз, чтобы достигнуть нужной степени частоты.
В этой же трубе можно выращивать кристаллы. Для этого есть внешняя труба, которая обеспечивает стабилизацию температуры с точностью до 0.1 °С. Внутрь трубы кладется порошок, который испаряется и также летит в область низких температур в ламинарном потоке инертного газа, а затем осаждается на стенке трубы. Кристаллы растут совершенно фантастическими, иногда красивыми цветочками, и потом мы их вынимаем. В результате получаются монокристаллы — веществу энергетически выгодно находиться именно в таком состоянии.
Микроскопия образцов
Вот мы сделали образцы — пленки или устройства — и идем наверх, чтобы их исследовать.
В этой комнате мы рассматриваем пленки в очень хороший оптический микроскоп. Можно подумать, что с микроскопами все закончено и они совершенны как автомат Калашникова, но ничего подобного. В этой области есть прогресс, и, в принципе, можно видеть слои толщиной в 1 молекулу в оптике. Достигается это комбинацией методов (фазовых контрастов, разных поляризаций, и так далее).
Далее мы можем изучить образец на приборе, сочетающем микроскоп комбинационного (рамановского) рассеяния и фотолюминесцентный микроскоп. Этот прибор мы получили по Программе развития университета в 2011 году. В этой же лаборатории есть атомно-силовой и зондовый микроскопы, в которых можно посмотреть образец с разрешением в ангстремы по высоте и нанометры в плоскости пленки.
В результате мы получаем разные картинки, которые представлены здесь. Вот картинка в обычном оптическом микроскопе — монокристаллы, состоящие из монослоя. Толщина слоя несколько нанометров, а размеры могут достигать миллиметра.
Еще одна установка в этой комнате позволяет измерить квантовый выход люминесценции. Внутрь сферы помещается образец, который освещается синим лазером — возникает фотолюминесценция. Образец излучает в полный телесный угол, и все излучение за счет рассеяния собирается в волокно и подается в прибор.
Измерение характеристик устройств
Здесь хранится большое количество образцов, которые вы видели раньше.
Самое главное для измерения образцов — этот бокс. Он заполняется инертным газом, и внутри располагается большое количество оборудования. Слева на медной пластинке измеряются характеристики солнечных батарей — снизу поступает излучение, имитирующее солнечное, и измеряются электрические характеристики. Справа находится так называемая зондовая станция. Планарный образец ставится на столик и на него устанавливаются два щупа, которые образуют электрические контакты с образцом. Также есть камера для фотографирования, волоконный ввод и вывод света, волоконный спектрометр.
Здесь же мы можем нанести электроды с помощью установки для плоттерной печати. Это 3D позиционер, который водит капилляром с диаметром отверстия до 100 мкм. Через капилляр с помощью ультразвуковых импульсов подаются электронные чернила, и можно наносить электросхемы на подложки, вытягивая капли чернил из капилляра, работа которого похоже на писание гелиевой авторучкой.
О работе лаборатории
Сколько времени занимает путь от молекулы до устройства?
Цикл от порошка до измерения характеристик занимает 1–2 дня, в зависимости от устройства. Мы делаем единичные устройства, а не микросхемы, поэтому получается достаточно быстро.
Почему используются органические соединения?
Мир электроники начался с кремния. Сначала была создана квантовая теория и физика твердого тела, так объяснили его свойства. Затем кремний научились очищать до нужной степени чистоты — в неорганической электронике это очень важно. Современная чистота достигает 8 девяток после запятой. Из очень чистого кремния делают процессоры, а еще можно делать солнечные батареи, это так называемый «солнечный кремний».
В чем недостатки кремниевой электроники? Она хрупкая, не гибкая, дорогая, требует вакуума и высоких температур в производстве. Нельзя сделать полупрозрачные или растяжимые устройства.
Органика напротив: гибкая, небьющаяся, полупрозрачная, растяжимая, биосовместимая, в том числе с человеческим телом. Эти свойства могут быть полезны, например, для рентгеновских снимков — гибкий детектор можно лучше подстроить под часть тела. Кроме того, потенциально производство органических устройств может быть дешевле.
Работает ли органическая электроника?
Да, работает, и доказательство тому — примеры из жизни. Информация в мозге хранится, копируется, переписывается, на ее основе создаются наномашины, белки. Работает фотосинтез — преобразование солнечной энергии в углеводы. В человеческих глазах органические молекулы обеспечивают чувствительность к свету, и глаза обладают динамическим диапазоном, не сравнимым ни с одним другим детектором — мы можем смотреть на яркое солнце, где 10^18-10^19 фотонов в секунду, а можем считать единичные фотоны после долгой адаптации в темноте. Другой вопрос — как воспроизвести эти устройства и принципы в лаборатории.
Мы уже можем делать что-то похожее, но природа далеко впереди нас. Современные информационные технологии фантастически неэффективны. Термодинамический предел энергии, необходимой на запись/стирание 1 бита информации — kT*ln(2), в современном транзисторе тратится порядка 10^10*kT, а в природных наномашинах порядка 100*kT. Разница в 8 порядков, а это всего один бит!
При таких темпах развития информационных технологий, в ближайшие годы до 20 процентов вырабатываемого электричества на планете пойдет на работу ИТ. Поэтому и идет активный поиск лучших энергоэффективных решений для электроники.
Где можно встретить современные разработки из области органической электроники?
Современные экраны смартфонов, телевизоров и других устройств делают на органических светодиодах (технология OLED). Они обеспечивают высокую яркость и высокий контраст, недостижимый с помощью жидких кристаллов, а также большую глубину черного цвета.
Еще можно делать маленькие полноцветные дисплеи с высоким разрешением. Есть в России предприятие «Циклон», которое производит такие миниэкраны. Применение — очки виртуальной реальности, отображение информации на глаза пилотов, пожарных, и так далее.
Еще одно применение — в гибких экранах на новых смартфонах.
Про области органической электроники
В органической электронике можно выделить три основные направления: фотовольтаика, электроника и светоизлучающие устройства.
Фотовольтаика
Фотовольтаика — преобразование оптической энергии в электрическую с прицелом на солнечный свет. Кремний прекрасный материал для этого, но он дорогой. Для эффективного поглощения нужен слой в 300 микрон, а для органики 100 нанометров — это играет огромную роль при ожидаемом производстве многих квадратных километров солнечных панелей.
Здесь две проблемы: эффективность и стабильность. Рекорд эффективности у лучших лабораторных образцов органики — 19%, у кремниевых панелей — около 25%. Тем не менее, эффективность растет — за последние несколько лет она выросла с 12% до 19%. Догонит ли она кремний? Вряд ли, но в принципе это может сработать. Но есть еще проблема со стабильностью органики. Для этого ее надо надежно защитить от атмосферных воды и кислорода, для этого используют специальные герметизирующие слои.
Электроника
Электроника — производство чипов. Тут есть фотография монокристаллического двумерного транзистора в несколько молекулярных слоев. У него подвижность заряда лучше, чем у аморфного кремния (процессоры делают на кристаллическом, мониторы на аморфном.
Органика принадлежит к области низких частот и малых скоростей, но ее привлекательность — в ранее упомянутых свойствах.
В этой же области — сенсорика, датчики. Планарные структуры чувствительны к тому, что падает на них сверху, поэтому можно делать сенсорные экраны, хемо- и биосенсоры, детекторы рентгеновского излучения.
Еще органика может хорошо применяться в космосе, где нет кислорода и воды, которые агрессивны по отношению к органике. У органической электроники хорошее соотношение энергии к весу, что очень важно для космонавтики.
Светоизлучающие устройства
Третья область — светоизлучающие устройства на эффекте электролюминесценции. Эта технология уже зрелая, о ней мы поговорили раньше. Здесь идет борьба за эффективность и долговечность, за лучшую цветопередачу.
Это мониторы, дисплеи, указатели, и вторая часть — общее освещение. Чем не хороши уже привычные светодиоды? Во-первых, они не белые (спектр излучения у них линейчатый), что может таить опасности для нашего здоровья. Во-вторых, это точечные источники.
Из органики можно сделать протяженные плоские источники, что открывает новые возможности для дизайна освещения. Например, потолок, на который можно выводить изображения. В секторе luxury это уже есть, но таких устройств пока очень мало.
Чем занимаются в лаборатории?
Наша лаборатория работает по всем направлениям.
Мы увлекаемся светотранзисторами — устройствами, излучающими свет и управляющими током. Это довольно молодое устройство, ему всего 20 лет. В целом мы получаем результаты мирового уровня.
Также мы тесно сотрудничаем с предприятием, разрабатывающем экраны, и у них очень большая область задач, есть фундаментальные проблемы. Еще мы делаем маленькие солнечные панели, здесь размер пикселя порядка нескольких миллиметров.
Итого: занимаемся источниками света, транзисторами и фотопреобразователями.
Вообще наше преимущество в том, что мы все этапы производства делаем в одном месте, только материалы в основном получаем от коллег-химиков. Есть некоторые трудности с получением нужных веществ, ведь обратная задача — по заданным свойствам придумать химическую формулу нужного вещества — не решена.
Информация для студентов
Когда стоит приходить в лабораторию?
В нашу лабораторию можно приходить на любом курсе — чем раньше, тем лучше.
В основном нужно иметь интерес, мотивацию, и готовность трудиться. Все остальное — дело наживное. Конечно, нужно освоить квантовую физику, статфизику, электродинамику. Но все нужные знания мы можем помочь приобрести.
У вас занимаются только экспериментом, или можно заниматься расчетами?
Конечно, у нас есть и теоретическая часть. Тут два направления: физическое моделирование работы устройств (движение зарядов, рекомбинация, излучение и т.д.; решение дифференциальных уравнений) и расчеты свойств молекул (методом теории функционала плотности, и другие более изощренные методы). Рассчитать можно далеко не все, и иногда это дольше, чем просто изготовить молекулы и протестировать.
Теоретическая часть поддерживает эксперимент, кроме того, можно косвенно узнать, перспективный ли материал или нет, не изготовляя устройство.
Сложно ли совмещать учебу с работой в лаборатории?
Мы стремимся, чтобы студенты учились, но сказать, что на кафедре очень сложно, нельзя.
Контакты
О лаборатории органической электроники рассказал Паращук Дмитрий Юрьевич — профессор, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории.
Если вы заинтересовались работой в лаборатории, свяжитесь с Дмитрием Юрьевичем:
email: paras@physics.msu.ru
телефон: 9 495 939 22 28
*Спинкоутер — устройство, которое растягивает каплю вещества в пленку с помощью быстрого вращения столика.
*Ножевая техника — еще иногда называется doctor blade или bar coating, в лаборатории его называют методом скользящего мениска.