Полупроводники n-типа нестабильны в атмосферных условиях. Транзисторы, разработанные в России на основе диазафлуорена, обладают отсутствием этого недостатка. Они способны детектировать вредные газы в концентрации 500 единиц на миллиард и станут основой для системы «электронный нос».
Исследователи Новосибирского института органической химии имени Ворожцова Сибирского отделения РАН, Института синтетических полимерных материалов имени Ениколопова РАН и Московского государственного университета имени Ломоносова синтезировали органические полупроводники на основе диазафлуорена (ароматического азотсодержащего углеводорода с формулой C11H6N2O). В условиях открытого воздуха они продемонстрировали высокую стабильность в качестве активного слоя транзисторов с n-каналами. Кроме того, материал проявил себя как селективный сенсор сероводорода. Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Органические полупроводники представляют собой гибкую и экономичную альтернативу кремниевым устройствам. Они находят применение в мобильных медицинских сенсорах, гибких дисплеях, «умной» упаковке и других областях. Основной проблемой оставалось создание полупроводников, которые могли бы проводить электроны в условиях атмосферы и не подвергаться окислению. Это актуально как для n-, так и для p-типов проводимости.
Авторам удалось разработать материал, молекулы которого обладают тремя ключевыми характеристиками:
- Низкий уровень граничных орбиталей, отвечающих за перенос электронов;
- Низкий дипольный момент, что снижает вероятность ловушек заряда;
- Высокая чувствительность к целевым газам, в частности, к H2S.
Производные диазафлуорена оказались отличными кандидатами для применения в органической электронике.
Серия новых веществ с устойчивой электроноакцепторной архитектурой была синтезирована на основе 4,5–диазафлуорена. Структура молекулы этого соединения включает два атома азота, что обеспечивает эффективный перенос отрицательных зарядов. Введение атомов азота в систему значительно понизило энергетический уровень молекул и одновременно обеспечило высокую электронную подвижность и стабильность в контактной среде с кислородом воздуха.
Синтез производных диазафлуорена с различными донорными и акцепторными участками позволил оптимизировать полезные характеристики полупроводников. Наилучшие показатели проводимости продемонстрировало соединение с дицианометилиденовым фрагментом.
Тонкопленочные монокристаллические полевые транзисторы показали высокую электронную подвижность и сохраняли работоспособность при контакте с воздухом, что особенно важно для n-канальных полупроводников.
Транзисторы были испытаны в качестве газоанализаторов и продемонстрировали четкую реакцию на концентрацию сероводорода на уровне 500 миллиардных долей. Такая высокая чувствительность объясняется способностью молекул полупроводника взаимодействовать с H2S.
