Американские физики смогли ускорить работу органических полупроводников примерно в шесть раз, «растянув» молекулы веществ, составляющих их основу, что позволит в будущем создать практически применимые электронные приборы на основе транзисторов и других полупроводниковых приборов из органических молекул, сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature.

«Растягивание полупроводника не является каким-то секретом или даже просто новым открытием. Мы знаем о превосходных свойствах растянутых полупроводников уже многие десятилетия и используем эту технологию в современной кремниевой электронике. С другой стороны, до нас никто не мог создать стабильный растянутый полупроводник с небольшим расстоянием между молекулами», – пояснил руководитель группы ученых Чжэнань Бао (Zhenan Bao) из Стэнфордского университета (США).

Научный коллектив под руководством Бао приспособил давно отработанную технологию улучшения свойств полупроводников – растягивание кристаллической решетки – для ускорения работы органических аналогов кремниевых транзисторов.

В кремниевых полупроводниковых устройствах соединения между атомами кремния растягиваются при помощи химического связывания кремниевой пластины и подложки из атомов германия или любого другого вещества, атомы в которой далеко отстоят друг от друга. Растягивание связей между атомами кремния улучшает мобильность свободных носителей заряда и снижает токи утечки, что увеличивает скорость работы и снижает тепловыделение электроники.

Авторы статьи разработали методику растягивания связей в молекулах хорошо изученного органического полупроводника под названием TIPS-пентацен.

Это вещество состоит из двух углеводородных хвостов с добавлением атомов кремния и блока из пяти колец ароматических углеводородов, соединенных в одну линию. TIPS-пентацен обладает хорошими полупроводниковыми свойствами для органических соединений и в перспективе может применяться для производства гибких дисплеев и интегральных схем, а также других электронных приборов.

Бао и ее коллеги заметили, что молекулы TIPS-пентацена достаточно прочно «прилипают» к пластинке твердого материала, если положить его на полужидкий расплав полупроводника. Как пишут ученые, если приподнять этот фрагмент на небольшое расстояние над поверхностью расплава, то молекулы растягиваются и поднимаются вслед за ним.

Ученые предположили, что медленное движение приподнятой пластинки по поверхности TIPS-пентацена и параллельное закрепление уже обработанной поверхности при помощи специальных химических веществ позволит достичь нужного эффекта – постоянного растягивания молекул полупроводника.

Для проверки этого предположения авторы статьи изготовили ванну из оксида кремния и нагревательного прибора и специальной двигательной установки, перемещавшей пластинку со скоростью в несколько десятых миллиметра в секунду. Они поместили туда небольшое количество TIPS-пентацена, растягивали его и замеряли его проводимость и другие физические свойства.

Уже первые попытки «растянуть» органический полупроводник оказались успешными, а максимальная эффективность растягивания была достигнута при скорости движения пластинки в 2,8 миллиметра в секунду. В этом случае мобильность электронов в «дырках» – посадочных местах для свободных электронов – выросла примерно в шесть раз.

Растянутый органический полупроводник сохраняет стабильность при механическом воздействии и не теряет свою структуру при температурах, не превышающих 160 градусов Цельсия.

Физики проверили работу своего изобретения, изготовив несколько тонкопленочных транзисторов из растянутого TIPS-пентацена. «Растянутые» транзисторы оказались примерно в 2,5 раза быстрее самых «шустрых» аналогов из обычного органического вещества и не теряли своих свойств даже через месяц непрерывной работы.

Ученые полагают, что их открытие поможет органическим транзисторам и устройствам на их основе проложить дорогу в промышленное производство – теперь разрыв между кремниевыми и органическими полупроводниками не столь широк, как это было ранее.