В 2011 году заканчивается первый этап (2007–2011 гг.) Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база». В нем принимали участие и специалисты Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (успешная разработка определенного вида светоизлучающих диодов по технологии OLED – Organic Light Emitting Diode). Сейчас в ФИАНе подготовлены предложения по двум важным технологическим направлениям для работы в следующем этапе ФЦП, запланированном на 2012–2016 гг. – разработке технологии roll-to-roll и созданию гибридных полупроводниковых материалов. Рассказывает руководитель Отдела люминесценции им. С.И. Вавилова, профессор, доктор физико-математических наук Алексей Витухновский.

Первое наше предложение касается так называемой технологии roll-to-roll. Это направление – пока потенциальное – чрезвычайно популярно в мире. Уже сделаны первые реальные шаги. Эта исключительно многообещающая технологическая ниша. Связано это с тем, что мы окружены всякого рода экранами, дисплеями… Телевизоры, мобильные телефоны, компьютеры, GPS-навигаторы – огромная масса самых различных устройств и приборов имеет дисплей.

В производстве дисплеев совсем недавно произошел всем заметный переворот. Громоздкие электроннолучевые трубки, которые использовались в телевизорах и мониторах, были выдавлены с рынка жидкокристаллическими (ЖК) экранами. В любом доме, в любой организации, везде – ЖК-мониторы. «Сообщество кинескопов» активно сопротивлялось, но переход на ЖК произошел. Были вложены колоссальные деньги, ведь необходимо было ликвидировать или перепрофилировать многочисленные производства. Но и ЖК-мониторы отживают свой век. На подходе следующее поколение – продукт технологии OLED – органические светоизлучающие диоды, на базе которых можно сделать более совершенные дисплеи. В прессе и в научных кругах идет очень интенсивная борьба между этими двумя направлениями.

Теперь уже «жидкокристаллические» разработчики и производители не хотят сдавать позиции. Они объясняют, что могут все это улучшить. А новые, «светодиодные», – пытаются захватить рынок, внедрить технологии. Борьба, в общем, вполне понятная.

Но между этими подходами есть абсолютно очевидные различия. Новые OLED- устройства являются активными. Что это значит? Основой любого дисплея служит пиксель – элемент, обращаясь к которому электронным образом, мы получаем ответ «темно» или «свет», получаем цвет. В OLED-мониторе этот пиксель – активный. То есть этот маленький элемент (многослойная структура) при приложенном напряжении сам излучает свет. А в ЖК-устройстве необходима подсветка – в этих мониторах экран освещают люминесцентные лампы, а каждый пиксель управляется тем, что молекулы жидкого кристалла ориентируются определенным образом. Все это происходит в рассеянном свете, поэтому, естественно, качество ЖК-дисплеев (контрастность, яркость и пр.) имеет вполне понятные ограничения.

Кроме того, в технологии OLED возможно использование гибких подложек, а следовательно, можно говорить и о создании гибкого экрана. Сегодня все ЖК-устройства, условно говоря, двухслойные. Есть слой, в котором находятся пиксели, и есть еще одна плата или плоскость, на которой находятся электронные ключи. Это транзисторы, которые управляют пикселями – прикладывают напряжение, и под действием электрического поля молекулы определенным образом ориентируются.

Принципиально такую же вторую матрицу нужно делать и для OLED-устройства, ведь и там к каждому конкретному пикселю тоже нужно подавать напряжение. Это задача уже решена в рамках схемотехники. Но существует большая проблема – сделать эту управляющую матрицу тоже органической. То есть нужно сделать органический транзистор. Тогда экран станет гибким. Если же пойти чуть дальше, всю систему можно сделать прозрачной! Прозрачный пластик, на котором возникает картинка… И некоторый прогресс в этом уже есть. Эта технология может иметь огромное применение в военной и гражданской сферах. Самый простой пример – возникающая на стекле автомобиля карта взамен нынешнего GPS-навигатора.

Но есть и еще одна, исключительно важная, возможность использования технологии OLED – это источники освещения. Как известно, президент Д.А. Медведев подписал федеральный закон, ограничивающий оборот ламп накаливания. Речь идет о переходе на энергосберегающие лампы. Но эти лампы содержат высокотоксичную ртуть, что создает серьезную проблему, связанную с их утилизацией. Альтернативой может послужить твердотельное светодиодное освещение.

Такие светодиоды построены на неорганических соединениях, где основой служит GaN. Он используется как источник синего света, а имея синий, можно, добавляя разные слои, получить белый свет (но пока спектр его далеко не идеален в плане физиологического воздействия). Отдельную задачу представляет подбор компонентов, но основой является синее излучение. Минус же здесь в том, что неорганические материалы не позволяют создавать источники света большой площади. Трудно даже представить, как их нанести на какую-то гибкую подложку. Использование органических соединений позволяет решить эту проблему.

Мы используем металлоорганические (цинковые) комплексы, дающие голубое свечение. Этот материал с помощью метода центрифугирования можно наносить на большие поверхности. А это открывает перспективы развития самых разных источников освещения для городского хозяйства, транспорта, домов. Например, создание светящихся «обоев» уже вполне реально. В эту гонку включены все, все хотят первыми получить: А) дисплеи нового поколения; В) источники света на новых принципах.

В ФИАНе этим направлением занимается как раз наш отдел, для этого введены в эксплуатацию несколько технологических установок. Ясно, что это дело перспективное и представляет как научный, так и коммерческий интерес.

Технология roll-to-roll – подобна той, что используется в полиграфии. Две бобины и гибкая пластиковая пленка. Это тот же материал (полиэтилентерефталат – ПЭТ), из которого сделаны бутылки для кока-колы. Такую пленку можно с одного валика перетаскивать на другой и по мере продвижения наносить на нее разные слои. Очевидные преимущества такого подхода – дешевизна и универсальность. Ведь эту технологию можно использовать для производства не только OLED-устройств но и, например, солнечных батарей. Исключительно перспективно использовать ее при создании источников света (светящиеся обои, панели и т. п.). Разработка такой технологии потребует приобретения специальных лабораторных установок, выпускают которые всего две-три фирмы в мире.

Но органика имеет свои недостатки, прежде всего, это короткий срок службы. Главные враги здесь – кислород и водяные пары, вызывающие деградацию органических слоев, в основном, через окисление. Решением проблемы может стать гибридный материал, представляющий собой органическую матрицу и внедренные в нее неорганические полупроводниковые, наночастицы, например, сульфида кадмия (CdS). Когда размеры объекта составляют несколько нанометров (10^-9 м) – квантоворазмерная система, – начинают действовать другие законы. Главный элемент полупроводниковой неорганики это ширина запрещенной зоны. В квантоворазмерной системе само это понятие просто исчезает – формируется уровневая система, подобная атомной. Наночастица CdSe, CdS или ZnS имеет размер 2 нм – и будет поглощать и излучать синий свет.

Частица большего размера – 4 нм – уже зеленый. Еще побольше – красный. То есть с изменением системы энергетических уровней меняются и оптические свойства. Если же поместить в какую-либо матрицу синие, зеленые и красные частицы (с определенным удельным весом, определенным образом расположенные и т. д.), то получится белый цвет. Использование таких композитных или гибридных (органика и неорганика) материалов – исключительно интересное направление. Эти частицы называются квантовыми точками (термин неустоявшийся).

Создавать их можно методом эпитаксии, но это сложнейшая и очень дорогая технология. Методы же коллоидной химии, предложенные нашими коллегами из МГУ (Факультет наук о материалах), позволяют технологически просто получать квантовые точки разного размера и разного состава. А мы внедряем их в органическую матрицу и пытаемся получить органические светодиоды с определенными свойствами.

Серьезная проблема здесь – отношение «доллар на люмен». То есть насколько это будет дешево. Понятно, что должно быть дешево. И также понятно, что создать монослой квантовых точек между двумя слоями органики – это довольно экзотическая задача. Технологически она решена, но очень соблазнительно сделать систему, где квантовые точки были бы просто замешаны в органической матрице, как изюм в булке. Но здесь еще есть много проблем.

Главное же для нас то, что, используя весь арсенал нашей техники, мы можем исследовать тонкие процессы внутри этих квантовых точек, их взаимодействие с органическим окружением. Здесь много задач чисто физических, фундаментальных.

Если проект (предложения во второй этап ФЦП «Национальная технологическая база», запланированный на 2012–2016 гг.) будет поддержан, в перспективе мы должны создать устройства на базе гибридных материалов с помощью технологий roll-to-roll. Но кроме того, мы надеемся получить много новых знаний о поведении квантовых точек и нанокристаллов в разных условиях. Вот это и есть наша задача – заниматься не только чисто технологическими вопросами, но и физикой.