Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

Instytut Chemii Fizycznej
Polskiej Akademii Nauk
adres:
tel.:
fax/tel.:
email:
WWW:
ul. Kasprzaka 44/52
01-224 Warszawa
+48 22 3432000
+48 22 3433333, 6325276
[email protected]
http://www.ichf.edu.pl/
Warszawa, 8 listopada 2010
Elastyczna elektronika: Odkrywamy zasady wytwarzania
uporządkowanych warstw polimerów
Cienkie jak papier, zwijane w rulon wyświetlacze i inne równie futurystyczne
urządzenia nie powstaną bez elektroniki organicznej. Konstruowanie giętkich
układów elektronicznych wymaga jednak wiedzy o właściwościach polimerów
i warunkach, w jakich zachodzi ich samoorganizacja. Grupie naukowców z Instytutu
Chemii Fizycznej PAN we współpracy z pracownikami Politechniki Warszawskiej
i Komisariatu d/s Energetyki Atomowej w Grenoble udało się ustalić, w jaki sposób
można wytwarzać cienkie warstwy polimerów o wysokim stopniu uporządkowania
– kluczowy element w procesie produkcji organicznych układów elektronicznych.
Materiały organiczne zmienią oblicze elektroniki. Urządzenia staną się nie tylko tańsze, cieńsze i
lżejsze, ale także zyskają cechy niespotykane dotychczas. Wyświetlacze będzie można zwijać w
rulon lub wytwarzać z przezroczystych elementów i nanosić bezpośrednio na szyby, na przykład w
samochodach. Zanim elastyczna elektronika zdobędzie masowy rynek, należy jednak poznać
zasady rządzące powstawaniem cienkich warstw półprzewodników organicznych. Grupa
naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (pod kierunkiem prof. ndz.
Roberta Nowakowskiego) oraz Politechniki Warszawskiej (prof. Małgorzata Zagórska) i
Komisariatu d/s Energetyki Atomowej w Grenoble (prof. Adam Proń) dokonała tu istotnego
postępu. „Zbadaliśmy, jak w warstwach zmienia się organizacja cząsteczek w zależności od ich
długości. Dzięki temu rozumiemy, dlaczego krótsze cząsteczki łączą się w uporządkowane
struktury dwuwymiarowe, a bardzo długie cząsteczki tworzą chaotyczne agregacje. Ten ostatni,
niekorzystny efekt potrafimy teraz skutecznie eliminować” – mówi prof. ndz. Robert Nowakowski z
Grupy Badawczej Mikroskopii i Spektroskopii Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN).
Cząsteczki organiczne mogą przewodzić prąd równie dobrze jak metale. W metalach chmura
elektronów może się jednak poruszać w dowolnym kierunku, podczas gdy nośniki prądu w
cząsteczkach organicznych przemieszczają się wzdłuż tzw. sprzężonych wiązań podwójnych. Fakt
ten oznacza dużą ruchliwość nośników tylko w jednym kierunku: wzdłuż osi podłużnej cząsteczki.
W tej sytuacji poprawę przewodności można otrzymać przez wydłużanie cząsteczek, czyli użycie
związków wielkocząsteczkowych – polimerów. Rozwiązanie to ma jednak wadę. Polimery
wielkocząsteczkowe znacznie trudniej tworzą uporządkowane warstwy. W rezultacie często
układają się przypadkowo, co prowadzi do chaotycznego przemieszczania się nośników prądu
(nośnik po przejściu przez długą, zwiniętą w kłębek makrocząsteczkę może się znaleźć niemal w
tym samym miejscu warstwy, w którym zaczynał wędrówkę). Rezultatem chaotycznej struktury jest
mała ruchliwość nośników prądu. Opisany problem można rozwiązać za pomocą cząsteczek
wydłużonych, lecz dostatecznie krótkich, aby wykazywały naturalną skłonność do
samoporządkowania, czyli oligomerów. W wyniku wzajemnych oddziaływań takie cząsteczki
ustawiają się równolegle do siebie i tworzą rzędy.
Obecnie przyjmuje się, że w przyszłości organiczne układy elektroniczne będą zbudowane z
uporządkowanych warstw cząsteczek gwarantujących dużą ruchliwość nośników prądu w kierunku
określonym dla danego urządzenia. Optymalizacja struktury warstw polimerowych polega na
znalezieniu kompromisu między długością łańcucha oligomeru a jego zdolnością do
samoorganizacji. „Chemicy z Politechniki Warszawskiej przygotowali nam nowe polimery i
oligomery, pochodne tiofenu. Badania strukturalne i mikroskopowe cienkich warstw tych związków
wykazały jednak, że są one nieuporządkowane. Podejrzewaliśmy, że nieuporządkowanie to wynika
z polidyspersyjności, czyli współistnienia cząsteczek o różnej długości. Zjawisko to występuje
prawie we wszystkich polimerach syntetycznych” – tłumaczy prof. Nowakowski. Aby sprawdzić to
przypuszczenie, naukowcy z IChF PAN opracowali unikatową metodę rozdziału mieszaniny po
polimeryzacji na frakcje cząsteczek o tej samej długości. Wykorzystano w tym celu
wysokosprawną chromatografię cieczową i cienkowarstwową. Z tak otrzymanych frakcji
wytwarzano następnie na podkładzie grafitowym warstwy grubości jednej cząsteczki i badano je
skaningowym mikroskopem tunelowym.
Przypuszczenie dotyczące polidyspersyjności okazało się słuszne. Uporządkowanie cząsteczek
jest związane z obecnością długich i giętkich grup alkilowych, wprowadzonych do cząsteczki aby
zwiększyć jej rozpuszczalność. Najkrótsze cząsteczki tworzą w warstwie dwuwymiarowe struktury
wskutek wzajemnego oddziaływania (zazębiania się) grup alkilowych sąsiednich cząsteczek w
dwóch prostopadłych kierunkach. Wydłużenie cząsteczki zwiększa liczbę grup alkilowych
oddziałujących jedynie w kierunku prostopadłym do jej osi i prowadzi do asymetrii oddziaływań
międzycząsteczkowych. Rezultatem jest zmiana typu uporządkowania z dwuwymiarowych wysp
obserwowanych dla krótszych oligomerów do jednowymiarowych kolumn tworzonych przez
dłuższe oligomery. „Przyczyną chaosu w warstwach okazał się fakt, że wytwarza się je z
mieszaniny makrocząsteczek o różnych długościach, z których każda dąży do innego typu
uporządkowania” – mówi doktorant Tomasz Jaroch z IChF PAN.
Uporządkowanie cząsteczek w warstwie jest konsekwencją ich budowy. Nawet niewielka zmiana w
budowie meru (jednostki powtarzalnej, która powielana tworzy łańcuch polimeru lub oligomeru)
może wpłynąć na przebieg samoorganizacji. W grupie prof. Małgorzaty Zagórskiej z Politechniki
Warszawskiej zsyntetyzowano oligomery z grupami alkilowymi przy innych atomach węgla
pierścienia tiofenowego niż w związku badanym pierwotnie. Zmiana powoduje zmniejszenie
odległości między grupami alkilowymi w obrębie meru i w konsekwencji zmianę oddziaływań
międzycząsteczkowych w warstwie. W tak zsyntetyzowanych związkach nie zaobserwowano
niekorzystnych efektów w samoorganizacji: cząsteczki różnej długości tworzyły uporządkowane
dwuwymiarowe wyspy. Otrzymane uporządkowanie charakteryzuje się korzystnymi
właściwościami półprzewodnikowymi, ponieważ rdzenie oddziałujące bezpośrednio wzdłuż osi
podłużnej gwarantują zwiększenie efektywnej ruchliwości nośników ładunku. Naukowcy z IChF
PAN potwierdzili eksperymentalnie brak zazębiania grup alkilowych w tym kierunku, demostrując
na obrazach mikroskopowych, że możliwe jest przesunięcie pojedynczego oligomeru wewnątrz
warstwy. Zazębianie się grup alkilowych wzdłuż osi cząsteczki uniemożliwiłoby taką operację.
Wyniki badań mają istotne znaczenie praktyczne, ponieważ pozwalają przewidywać zachowanie
oligomerów i polimerów w warstwach, a tym samym otwierają drogę do wytwarzania warstw
uporządkowanych, gwarantujących lepszą ruchliwość nośników ładunku w urządzeniach
elektroniki organicznej.
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych
instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii
fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład
Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie
i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.
KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:
prof. ndz. inż. Robert Nowakowski
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 22 3433075
email: [email protected]
prof. dr hab. Małgorzata Zagórska
Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej
tel. +48 22 2345584
email: [email protected]
prof. dr hab. inż. Adam Proń
Komisariat d/s Energetyki Atomowej w Grenoble (Atomic Energy Commission, Grenoble)
tel. +33 4 38784389
email: [email protected]
POWIĄZANE STRONY WWW:
http://www.ichf.edu.pl/
Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
http://www.ichf.edu.pl/press/
Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
PRACE NAUKOWE:
Journal of Physical Chemistry C (2010) 114, 13967-13974.
MATERIAŁY GRAFICZNE:
IChF101108b_fot01s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/11/IChF101108b_fot01,jpg
Badanie samoorganizacji w cienkich warstwach polimerów za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego w Instytucie Chemii
Fizycznej PAN w Warszawie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)
IChF101108b_fot02s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/11/IChF101108b_fot02,jpg
Doktorant Tomasz Jaroch z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie podczas przygotowywania skaningowego mikroskopu
tunelowego (STM) do badań cienkich warstw polimerów. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)
IChF101108b_fot03s.jpg
HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/11/IChF101108b_fot03,jpg
Kontrolowane przesuwanie pojedynczych cząsteczek w uporządkowanej warstwie tetramerów 3,3”DOTT. Obrazy z tunelowego
mikroskopu skaningowego (STM) pokazują, że pojedyncze skanowanie (w prawą stronę) przemieszcza wybraną cząsteczkę z lewej
krawędzi luki na prawą, co prowadzi do zmiany kształtu defektu. Ponieważ po dwóch skanach są przesunięte dwie cząsteczki w
różnych rzędach, luka wraca do pierwotnego kształtu, lecz jest przesunięta w kierunku prostopadłym do osi podłużnej cząsteczek.
Przemieszczenie jest potwierdzone przez zmianę pozycji luki względem stabilnego defektu warstwy (zaznaczonego żółtym okręgiem).
Eksperyment potwierdza brak zazębiania się grup alkilowych w kierunku równoległym do osi podłużnej cząsteczki. Kolory sztuczne.
(Źródło: IChF PAN)