Данная статья посвящена не композиционным проводящим полимерам, в которых высокая электропроводность достигается за счет свойств наполнителя, а именно проводящим полимерам с собственной электропроводностью.

Сообщение о достижении металлического уровня проводимости при допировании пленок полиацетилена (ПАц), опубликованное Shirakawa et al . (1977) вызвало огромный интерес к исследованию проводящих полимеров, продолжающийся и сейчас. Хотя это был не первый пример проводящего полимера, увеличение электропроводности более чем в 10 7 раз при допировании транс-ПАц пентафторидом мышьяка или иода оказалось резким и значительным (рис. 1). Это открытие вызвало всплеск интереса к проводящим сопряженным полимерам в связи с перспективами увеличения их электропроводности.

Рис. 1. Увеличение электропроводности транс-ПАц при допировании пентафторидом мышьяка.

В 1960-х годах были исследованы другие представители класса проводящих полимеров полианилин и полипиррол и установлено, что их электропроводность составляет 330 Ом -1 × м -1 и 754 Ом -1 × м -1 , соответственно.

Теория электропроводности проводящих полимеров.

После открытия металлических свойств ПАц большинство теоретических работ выполнялось на примере этого проводящего полимера. В первых работах Longuet - Higgins и Salem (1959) и ряде других использовалась модель Хюккеля, и было показано, что цепь ПАц в основном состоянии имеет структуру с чередованием связей (рис. 1, б), а не структуру с равными длинами С-С-связей (рис. 1, а).

Рис. 2. Химическая структура транс-полиацетилена с равными длинами связей (а) и чередованием связей (б).

В 1979 г. была предложена хюккелевская модель сильной связи, послужившая основой для анализа молекулярной и электронной структуры ПАц и в настоящее время обычно именуемая моделью SSH .

Существуют две возможные фазы чередования связей, чтоозначает существование для основного состояния полимера двух альтернативных структур, I и II на рис. 3, энергии которых вырождены. Эти структуры характеризуются параметром чередования связей, принимающим значения ±1. Заметим, что значение параметра чередования связей, равное нулю, отвечает структуре с равными длинами связей. В случае, если два участка цели имеют противоположные значения параметра чередования связей, в месте, где этот параметр меняет знак, возникает дефект, как показано на рис. 3, и там же оказывается неспаренный π -электрон, не входящий в двойную связь ни в одном из участков цепи.

Рис. 3. Два возможных типа чередования связей в ПАц и образование солитона.

Полимерная цепь в целом электрически нейтральна, однако электрон в месте стыка (кинка) имеет неспаренный спин. π -Электроны двойных связей имеют спаренные спины, поэтому идеальная полимерная цепь диамагнитна, в то время как цепь с кинком слабо парамагнитна. Поскольку энергия цепи по обе стороны кинка одинакова, он может передвигаться вдоль цепи, и полная энергия при этом не меняется, т.е. неспаренный электрон является подвижным объектом, способным свободно двигаться вдоль цепи. По аналогии с одиночными (solitary ) волнами в воде подобное образование получило название солитон.

При нечетном числе углеродных связей в кольце должен возникать солитон, так как первая и последняя связи должны быть обе одинарные или двойные. Если же в кольце число связей четно, граничные условия удовлетворяются и солитон не возникает. Однако в кольце с четным числом связей могут возникать два солитона противоположного знака, солитон и антисолитон, когда нарушение чередования связей, образовавшее антисолитон, компенсирует нарушение чередования связей, приведшее к образованию солитона. Данные рассуждения применимы и к цепи конечной длины, в которой концевые группы фиксируют фазу чередования связей. Таким образом, основное состояние цепи конечной длины, на концах которой фазы чередования связей противоположны, должно содержать солитон, в противном случае солитон не образуется.

При допировании полиацетилена сильными акцепторами или донорами электронов образование заряженных солитонных состояний требует меньшей энергии, что приводит к увеличению электропроводности полимера.

Электрические свойства проводящих полимеров.

Для получения проводящих полимеров могут использоваться методы синтеза полиприсоединением и поликонденсацией.

Приведенные выше экспериментальные данные свидетельствуют о том, что ширина запрещенной зоны между валентной зоной и зоной проводимости в проводящих полимерах составляет несколько электронвольт, что сравнимо с шириной зоны в кремнии и германии. При этом ширина запрещенной зоны намного больше, чем энергия теплового движения при комнатной температуре (~ 0.025 эВ) поэтому число термовозбужденных носителей заряда при этих условиях очень мало. Соответственно мала и собственная проводимость чистых проводящих сопряженных полимеров. Такая же картина имеет место и для кремния и германия, для которых необходимо вводить небольшие количества акцепторов или доноров (легирующих добавок или допантов), чтобы примесная проводимость достигла уровня, необходимого для практического применения. Однако электропроводность свежеприготовленных проводящих полимеров часто оказывается выше уровня собственной проводимости, что является результатом случайного допирования полимера остатками катализатора, окислительными или восстановительными примесями, попавшими в него в ходе синтеза или при последующих манипуляциях. Наиболее часто встречающаяся примесь - это кислород. Влияние случайного допирования может быть нейтрализовано химической обработкой, поскольку в большинстве случаев случайное допирование вызвано окислительными примесями, в результате чего получается полупроводник р-типа; обработка восстановителями приводит к снижению электропроводности.

Максимальная электропроводность наблюдается в чистых ориентированных полимерах с большой молекулярной массой. Наибольшие полученные значения составляют ~10 7 Ом -1 м -1 для ПАц (Tsukamoto , 1992) и 2 × 10 5 Ом -1 м -1 для полианилина (Pomfret et al ., 1998). Электропроводность на единицу массы близка к величинам, характерным для нормальных металлов, или превышает их, так как меньшая плотность полимеров компенсирует более низкую электропроводность. Работа выхода металлических полимеров близка к значениям для нормальных металлов, например, для полианилина она составляет 4,8 эВ, а для ПЭДОТ - ~5 эВ, что является промежуточным значением между значениями для золота и алюминия.

Литература:

Блайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров. Пер. с англ. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 376 с.

ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС
Полимеры с высокой электропроводностью, псевдометаллическими и полупроводниковыми свойствами были получены еще в 60-е годы. Классический пример полимера этого класса – полиацетилен. Благодаря полисопряженным химическим связям, его электропроводность можно менять в широком диапазоне как в процессе синтеза (путем контроля длины полимерных цепей), так и при полевых воздействиях (тепловом, электромагнитном, ионизирующим излучением), приводящих к соответствующему изменению либо первичной структуры полимера (структурная перестройка), либо к изменению степени его полимеризации. Проводящие полимеры широко используются для изготовления электродов химических источников тока (полианилины), автоматических терморегуляторов и стабилизаторов напряжения (полиакрилонитрилы), в качестве электролитов конденсаторов (соли полипироллов) и т.п. Открытие и изучение эффекта фотопроводимости в полинитрилах, полифталоцианинах, полифенилах и полифениленвиниленах привело к формированию фотодетекторов на их основе, а высокая “чувствительность” спектральных характеристик полимеров к исходной структуре и полимерной составляющей позволила создать приборы с широким спектральным диапазоном. Правда, справедливости ради, следует признать, что их квантовый выход люминесценции не превышал нескольких процентов. В 80-е годы в результате исследований проводящих полимеров с высокой степенью ориентации полимерных цепей в объемном образце (что позволяет использовать характеристики квазиодномерной структуры макромолекул) были получены полимерные квазикристаллические материалы с высокой анизотропией электрических характеристик. Подвижность носителей зарядов в них достигла 5000–6000 см2/В.с.
Многообразие структур полимерных систем и возможности их модификации предоставили исследователям широчайший выбор характеристик материала. Это, естественно, подтолкнуло их к попыткам реализации активных электронных приборов на базе полимерных материалов. Работы велись на основе достаточно хорошо проработанных к тому времени теории полупроводниковых приборов, физических и технологических принципов их формирования. При этом в полимерных (молекулярных) системах аналогом уровня Ферми выступали энергетические состояния носителей на самом высоком и самом низком незанятых уровнях молекулярных орбиталей, а аналогом процесса легирования, приводящего к изменению положения уровня Ферми, – операция химического замещения, вызывающая изменение потенциала ионизации и электронного сродства. Изменяя первичную структуру полимера, можно задавать уровни молекулярных орбиталей и, следовательно, ширину его запрещенной зоны. Продолжая рассмотрение аналогий, укажем, что в качестве межсоединений можно использовать системы линейных полимеров с сопряженными связями.
После краткого исторического экскурса рассмотрим "продвижение" полимеров в мир современных электронных приборов.

ОРГАНИЧЕСКИЕ СИД С ВЫСОКОЙ ЯРКОСТЬЮ СВЕЧЕНИЯ
Первыми электронными приборами на основе полимеров стали светоизлучающие диоды (СИД). Сейчас уже можно считать, что разработки практически достигли уровня, позволяющего перейти к промышленному производству органических СИД, и задача сегодняшнего дня сводится к созданию приборов с высокой яркостью свечения. Многочисленные исследования в этой области различными путями привели к оптимальному конструктивно-технологическому варианту, который получил название "прозрачный органический светоизлучающий диод" (Transparent Organic Light Emitting Diode – TOLED, рис.1). Принцип работы его предельно прост и заключается в генерации излучения молекулами полимера под действием электрического поля в результате рекомбинации носителей в электролюминесцентном слое. Конструктивно СИД должен быть выполнен так, чтобы прозрачный электрод, слой переноса дырок, электролюминесцентный слой и волновод были максимально прозрачны, а слой переноса электронов и отрицательный электрод обеспечивали максимальное интерференционное и зеркальное отражение излучения. Для усиления вклада отраженного излучения в некоторых конструкциях СИД отрицательному электроду придают соответствующую форму (например, вогнутого параболического зеркала) и вводят формируемые в слое пластика оптические элементы на основе линз Френеля.
Сейчас активно изучаются новые органические материалы для СИД. Так, на фирме Fujitsu на основе сополимера пара- и метабутадиена получен проводящий полимер с максимальной интенсивностью излучения при соотношении пара- и метамодификаций 2:1. В качестве инжектирующего дырки слоя используют проводящий полимер на основе тиофена, позволивший снизить рабочее напряжение СИД при больших значениях тока. Положительный электрод, изготовленный из сплава Mg–In, отличается высокой стабильностью и обеспечивает высокий уровень инжекции электронов. Отрицательный электрод из окиси олова–индия наносится на стеклянную подложку.
В дальнейшем фирма предполагает использовать этот органический СИД с поликремниевыми полевыми тонкопленочными транзисторами для создания дисплеев, способных воспроизводить "живое" изображение. Эти дисплеи будут обладать высокой яркостью и большим углом обзора, а стоимость их будет значительно ниже, чем у ныне выпускаемых АМ ЖК-дисплеев.

СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
До недавнего времени СИД на основе органических соединений использовались только в сотовых телефонах и часах, так как существовали значительные технологические проблемы сохранения свойств СИД при формировании матриц. Развитие “низкотемпературных” технологий устранило это препятствие. Об интенсивности работ и круге решаемых задач по созданию плоских индикаторов и дисплеев на основе органических материалов свидетельствуют исследования в области получения перестраиваемых цветных СИД с вертикальной структурой (Принстонский университет) и цветного органического ЭЛ-дисплея для настенных телевизоров и мобильных мультимедийных систем (компания Idemitsu Kosan), а также по освоению опытного производства полимерных СИД на основе технологии компании Cambridge Display Technology (фирма Uniax) и производства ЖКИ на пластиковых подложках (Ricon). Световая эффективность современных органических СИД и приборов отображения информации на их основе составляет 10–60 лм/Вт, яркость светового излучения достигает 50000 кд/м2, а ресурс – 10 тыс. часов (при яркости 150 кд/м2).
Главное достижение 90-х годов – разработка органических СИД синего свечения, что позволило перейти к созданию полноцветных экранов на основе RGB-триад. Одна из основных технологических проблем при этом – повреждающее воздействие технологических процессов обработки при формировании набора СИД (первые элементы набора испытывают химическое воздействие при формировании второго, а на первые два влияет процесс изготовления третьего элемента набора). Наличие даже незначительных химических загрязнений (особенно щелочными металлами) способно привести к существенной деградации свойств электролюминесцентного материала и вызвать значительные изменения интенсивности свечения и спектральных характеристик, сократить срок службы прибора. Технология маскирования для защиты слоев при последовательном изготовлении элементов триад неизбежно приводит к ограничению разрешающей способности дисплея.
Эта проблема успешно решена за счет перехода к безмасочной технологии изготовления трехмерной, а не планарной структуры. По этой технологии элементы триад выполняются в виде трех- или четырехгранных пирамид, формируемых методом прессования на пластиковой подложке. На определенную грань всех пирамид матрицы направленным осаждением из паровой фазы наносится органический материал, обеспечивающий излучение одного цвета. Затем подложка поворачивается на соответствующий угол (120° или 90°), и осаждается материал следующего цвета свечения. На четвертой грани формируется слой одного из цветов уменьшенной яркости, что позволяет расширить воспроизводимую дисплеем цветовую гамму, а также стабилизировать баланс белого в процессе эксплуатации. Такая конструкция обеспечивает увеличение разрешающей способности почти в три раза. Полимерный слой с пирамидами и отверстиями под контакты наносится поверх схемы активной матричной адресации на тонкопленочных полевых транзисторах (ТПТ), изготавливаемой совместно со столбиковыми выводами на стеклянной подложке. Все составляющие технологического маршрута уже отработаны, и разработчики надеются выпускать достаточно дешевые дисплеи с высокими характеристиками.
Несомненный интерес представляют разработки сверхтонких органических дисплеев. В Массачусетском технологическом институте разработана технология получения дисплеев на слое пластика толщиной всего 100 мкм, который можно скручивать без изменения свойств в рулон радиусом 5 мм. Изображение формируется в слое электрофоретической пасты, наносимой на сетку электродов на гибкой полимерной подложке. Паста состоит из микрокапсул, содержащих белые (двуокись титана – стандартная составляющая обычных белил) и черные (смесь органических красителей) микрочастицы, взвешенные в расплавленном полиэтилене. Оболочка капсул проходит специальную обработку для обеспечения ее прозрачности. Средний размер капсул – около 50 мкм. Поверх слоя пасты наносится сетка прозрачных электродов. При подаче напряжения одной полярности отрицательно заряженные белые частицы перемещаются в верхнюю часть капсул и загораживают черные частицы. В результате капсула приобретает белый цвет. При изменении полярности белые частицы перемещаются в нижнюю часть капсулы, и цвет ее становится черным. Разрешение такого дисплея определяет шаг сетки электродов, и уже для первых образцов оно было сопоставимо со стандартными значениями для лазерных принтеров. Потребляемая мощность дисплея с диагональю экрана 30 см – 12 мВт, длительность воспроизведения информации при снятии напряжения не ограничена (до новой адресации). Изображение можно менять более 107 раз без ухудшения рабочих характеристик. На основе такого конструктива можно создавать “электронную бумагу”.
Фирма Xerox сообщила о подготовке на базе "электронной бумаги" копировальных устройств – сверхтонких дисплеев, изготовленных по технологии Gyricon, предусматривающей использование масляных полостей с пластиковыми сферами. При подаче напряжения сферы ориентируются относительно поверхности либо черной, либо белой стороной. Для воспроизведения изображения достаточно двух батарей типа АА. Допускается исправление и обновление информации. Единственный недостаток дисплеев – необходимость защиты от электрических помех, в частности от статического электричества. "Электронная бумага", так же как обычная, – легкая, гибкая, удобная для чтения под любыми углами зрения. К тому же она обладает такими новыми свойствами, как возможность обновлять информацию несколько тысяч раз и пользоваться электронной указкой. По оценке специалистов фирмы Xerox, цена такой бумаги не превысит 25 центов за лист формата А4.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
При изготолении дисплеев совместное формирование ТПТ по традиционной технологии и органических СИД затруднено из-за высокотемпературных процессов, вызывающих деградацию свойств органических материалов. ТПТ на органических материалах можно изготавливать при меньших температурах и при этом использовать вместо дорогих стеклянных дешевые пластиковые подложки, что позволит значительно снизить стоимость всего изделия. Развитие технологии органических ТПТ открывает широкие возможности для создания сверхлегких и сверхплоских дисплеев, обладающих высокими гибкостью и прочностью. Решение технологических вопросов получения ТПТ на основе органических материалов позволит изготавливать все элементы дисплеев по сходным технологическим процессам, что снизит издержки производства и уменьшит разнородность используемого оборудования. По своим характеристикам современные органические ТПТ не уступают стандартным на пленках аморфного кремния. Типовая структура органического ТПТ представлена на рис.2.
Опытный образец ТПТ на пентацене с длиной и шириной затвора 5 и 500 мкм, соответственно, и толщиной подзатворного диэлектрика 140 нм имел пороговое напряжение 10 В и дрейфовую подвижность насыщения 1,7 см2/В.с (рекордный результат для органических транзисторов). Для снижения тока утечки между отдельными ТПТ используется специфическая топология Corbino, в которой электрод истока формирует вокруг активной области ТПТ замкнутое кольцо, в центре которого располагается электрод стока. При такой конструкции затвор управляет всем током, текущим от стока к истоку, что обеспечивает отношение токов во включенном и выключенном состоянии ~108, а также малые токи утечки (ток в выключенном состоянии близок к уровню шумов).
Таким образом, можно констатировать, что уже сегодня решена технологическая задача формирования приборов отображения информации полностью из органических материалов.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА И ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
Успехи в создании органических СИД и систем отображения информации стимулируют и разработки устройств с электрическим возбуждением на органических полимерах – одном из самых перспективных материалов для изготовления новых типов оптоэлектронных ИС. Основные достоинства таких ИС – низкая стоимость и достаточно простая технология, пригодная для освоения массового производства. Исследования в этой области ведут многие фирмы США, Германии, Австрии и Италии. И сегодня в стандартных гибридных оптоэлектронных схемах уже применяются промышленные полимерные световоды.
Изучено более десятка полимеров с полупроводниковыми свойствами, пригодных для лазерной генерации во всем видимом диапазоне. Особый интерес разработчиков вызывают сопряженные полимеры с боковыми цепями, так как именно боковые цепи определяют ширину энергетической зоны, т.е. длину волны излучения. Благодаря высокой экстинкции генерируемого излучения (пленки толщиной всего 0,1 мкм поглощают 90% излучения), слабой зависимости квантовой эффективности фотолюминесценции от количества активного полимера в резонаторе и большому энергетическому сдвигу между спектрами поглощения и излучения (что позволяет легко достигать инверсии заселенности), сопряженные полимеры уже при малых толщинах пригодны для формирования активной среды лазера. Высокая растворимость сопряженных полимеров с боковыми цепями в обычных органических растворителях значительно упрощает технологию нанесения и формирования необходимых слоистых пленочных топологических структур, в том числе и традиционными методами фотолитографии, хорошо отработанными в микроэлектронике.
Одна из самых серьезных проблем изготовления на полимерных пленках приборов с электрическим возбуждением – высокая плотность порогового тока генерации (~1 кАЧсм2). Решается она за счет ввода распределенной обратной связи и распределенного отражателя Брэгга (РОБ) с целью повышения добротности резонатора. РОБ выполняет функцию зеркала резонатора. Образуют его чередующиеся полимерные слои различной толщины с низким и высоким значениями коэффициента преломления. Так как длина резонатора изменяется в зависимости от длины волны излучения, РОБ с подобной структурой может поддерживать многомодовую генерацию.
Пример удачного применения полимеров в лазерной технике – первый пригодный для промышленного производства лазер на органическом материале с электрическим возбуждением фирмы Lucent Technologies. Он выполнен на кристаллах тетрацена, молекулы которого содержат четыре бензольных кольца. Полевая структура (канал шириной 25 мкм и длиной 200–400 мкм) создавалась на слоях тетрацена толщиной 1–10 мкм, полученных методом осаждения на диэлектрическую подложку из паровой фазы в потоке инертного газа. В качестве диэлектрика использовался слой окиси алюминия толщиной 0,15 мкм, а управляющие электроды изготавливались из окиси цинка, легированной алюминием. Структура представляет собой планарный многомодовый волновод с полными внутренними потерями ~100 см-2. Лазерный резонатор формировался путем скола кристалла тетрацена с образованием граней с коэффициентом отражения ~8%. При высокой плотности инжекционного тока в резонаторе наблюдалась канализация излучения на длине волны 575,7 нм с усилением при работе в многомодовом режиме. При комнатной температуре лазер работал в импульсном режиме, а при 200К – в режиме непрерывного излучения. При уменьшении потерь на отражение за счет введения распределенной обратной связи и РОБ возможна работа в непрерывном режиме и при комнатной температуре. Достоинство лазера – возможность перестройки по частоте, поскольку спектр излучения тетрацена достаточно широкий.
Лазеры на органических материалах значительно дешевле полупроводниковых, а широкий выбор материалов позволяет перекрывать значительный спектральный диапазон. Можно с уверенностью прогнозировать, что подобные лазеры в ближайшем будущем найдут широкое применение в оптических ЗУ и лазерных принтерах.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Несмотря на всю разнородность используемых полимерных материалов, большинство операций создания приборов и элементов конструкции сходны по своей структуре и могут быть в значительной степени унифицированы. К таким операциям, в первую очередь, относятся процессы осаждения (нанесения) полимерных слоев и процессы формообразования. Выше уже указывалось, что для большинства тонкопленочных и толстопленочных материалов можно применять хорошо освоенные процессы осаждения из паровой фазы, трафаретной печати и литографии (для растворимых композиций).
Революционный подход к разработке технологии массового производства электронных приборов на основе органических пленок продемонстрировала калифорнийская фирма Rolltronics. По ее технологии, названной roll-to-roll (с катушки на катушку), в конвейерном цикле производства используется большая катушка с гибким пластиком, играющим роль подложки будущего прибора (рис.3). Длина ленты пластика – более 300 м, а ширина может превышать 1 м. Последовательное нанесение и формирование слоев ведется в специализированных камерах обработки, обеспечивающих выполнение всего технологического цикла. Разработчики полагают, что им удастся формировать структуры при температурах не выше 100–125°С, что позволит использовать большинство современных полимерных материалов.
Совместно с фирмой Iowa Thin Film Technologies компания Rolltronics планировала к концу 2001 года ввести в строй производственную линию roll-to-roll. В качестве "пробы пера" выбран основной элемент будущих конструкций – тонкопленочный транзистор. Помимо ТПТ, фирма намерена изготавливать схемы памяти, силовые приборы и дисплейные элементы, а также все компоненты электронных книг и электронную бумагу. Технология roll-to-roll пригодна для формирования плоских экранов, осветительных и информационных СИД-панелей, солнечных элементов, оптоэлектронных приборов и полупроводниковых лазеров. Представители фирмы называют эту технологию прорывом в будущее, подчеркивая ее чрезвычайно высокую экономичность и производительность, что позволит перейти к массовому производству новых видов электронных приборов и резко снизить их стоимость.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Используемые физические принципы и технология "полимерной электроники" – первый естественный шаг на пути к молекулярной электронике. Это объясняется тем, что в отличие от классической твердотельной электроники, где рассматриваются свойства кристаллического тела и активные структуры формируются в его объеме, в случае применения полимеров необходимо уже учитывать свойства молекул. При переходе к истинно молекулярной электронике, когда активным элементом уже выступают единичные молекулы, основная задача – выбор технологического метода точечного (локального) воздействия на молекулу и изменения ее первичной химической структуры. Естественно, если технологический инструмент не способен локально модифицировать исходную молекулярную систему на атомном уровне, следует развивать методы ее самопостроения и саморегуляции, как это происходит в природе в жизненном цикле вирусов и бактериофагов. В первом приближении к ним можно отнести метод Лэнгмюра-Блоджетт получения монослойных пленок или метод самопостроения монослоев олигомеров на металлической подложке (Self-assembled monolayers – SAM). Эти методы можно условно, по аналогии с технологией твердотельных приборов, отнести к "однослойной" эпитаксии.
Один из вариантов перехода к молекулярной электронике – “гибридная” технология, когда используются “молекулярные элементы” с применением методов классической электроники. Пример такой комбинированной технологии – предложенное фирмой IBM конструктивное применение углеродных нанотрубок для создания транзисторов, размеры которых в 500 раз меньше, чем у современных кремниевых приборов. К тому же в отсутствие кислорода они способны выдерживать нагрев до 1000°С.
Современные средства модификации и контроля атомных структур – атомная силовая микроскопия (AFM) и сканирующая туннельная микроскопия (STM) – могут обеспечить технологические требования на атомарном уровне. Но, к сожалению, и AFM, и STM – последовательные методы с не очень высокой производительностью, и в ближайшем будущем они будут использоваться только как лабораторный инструмент. Тем не менее, именно с помощью AFM и STM впервые были успешно созданы приборы молекулярной электроники. Эти методы позволяют решать и самую сложную задачу сборки молекулярных электронных приборов – формирование контактов. Теоретические модели AFM- и STM-методов формирования структур и измерений пока еще только развиваются, и здесь можно ожидать еще множество открытий. Однако реализация пригодных к промышленному освоению методов молекулярной электроники – дело будущего.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Все изложенное показывает, что электроника стоит на пороге "полимерной" революции. В ближайшие три–пять лет появится возможность "печатать" изделия электроники как обои. На таких пластиковых "обоях" будут создаваться полноцветные экраны и дисплеи, солнечные батареи и осветительные панели на СИД белого свечения, электронная бумага и многое другое. Новые изделия электроники на базе полимерных материалов, которые появятся в ближайшем десятилетии, революционным образом изменят условия эксплуатации электронного оборудования, расширят возможности информационных технологий, создадут предпосылки перехода на новые принципы организации, обучения, быта и развлечений. Задача российской электроники – "не прозевать" этот рывок и достойным образом включиться в развитие полимерной электроники.

Литература
Laser Focus World, 2001, v.37, №3, p. 41–44.
Semiconductor International, 2000, v.23, №8, p.46.
Semiconductor International, 2001, v.24, №6, p.50.
Semiconductor International, 2001, v.24, №8, p.40.
Solid State Technology, 2000, v.43, №3, p. 63–77.
Photonics Spectra 2000, v.34, №5, p.44.
Journal of American Chemical Society, 2000, v.122, №2, p. 339–347.
Зарубежная электронная техника, 2000, вып.1, с. 66–72.

1.10 Технологии изготовления электросхем настоящего и будущего

Над созданием разнообразных "пластиковых" электронных устройств в настоящее время работает немало компаний и исследовательских лабораторий. Правда, предлагаемые на сегодняшний день решения в большинстве своем, предполагают некий сплав новых и традиционных технологий. Например, одним из самых распространенных подходов является нанесение полупроводниковых материалов на пластиковую подложку. Однако на самом деле существует и другой вариант -использование пластичных материалов с проводящими свойствами, а точнее, - проводящих полимеров.

Первые, самые важные результаты в данной области, по сути
ставшие отправной точкой для всех дальнейших исследований, были получены Хидеки Ширакавой (Hideki Shirakawa) из Университета г. Цукуба (Япония), Аланом Хигером (Alan J. Heeger) из Калифорнийского университета и Аланом Макдармидом (Alan G. MacDiarmid) из Университета Пенсильвании. Первое сообщение о них появилось в 1977 г. в "Journal of Chemical Society"

Сущность

Основой для токопроводящих полимеров служат высокомолекулярные вещества с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные связи. В чистом виде они не являются проводниками заряда, поскольку электроны в них локализованы вследствие участия в образовании сильных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси. После их ввода появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи.

Электролюминесцентные полимеры

Одним из важных шагов в развитии полупроводниковых полимеров стало получение в самом начале 90-х годов электролюминесцентных полимеров. Они также являются проводящими, а излучение в них происходит за счет рекомбинации зарядов и дырок. К настоящему времени такие полимеры уже находят широкое применение в электронной индустрии: именно на их основе строятся дисплеи на органических светодиодах (OLED - Organic Light-Emitting Display), рассматриваемые многими специалистами как очень серьезный конкурент ЖК-дисплеям на рынке карманных устройств.

Практическое применение

Полимерные проводники и полупроводники считаются сейчас основой органо-электроники 21-го века. Конечно, вещества на основе органических углеродных молекул хуже проводят электричество чем, скажем, медь, и несколько хуже кремния в качестве основы микрочипов. Но они легко принимают любую необходимую форму, более легки и дешевы. К тому же, изменяя химический состав, можно варьировать свойства этих веществ в гораздо более широких пределах, чем неорганических. Растворенные полимеры можно заправлять в обычные струйные принтеры и напылять различные электронные устройства прямо на бумагу или другую гибкую основу. Например, напыляя полимерные светодиоды, можно делать видеодисплеи мобильных телефонов и других карманных устройств. Существует еще масса идей и разработок в области практического
применения проводящих полимеров. В ближайшие годы, по прогнозам специалистов, эти технологии прочно войдут в нашу жизнь.

Электропроводимость полимеров

Отличительным свойством синтетических полимеров до недавнего времени считалось их нулевая электропроводность. Все привычные типы пластмасс являются хорошими диэлектри - ками благодаря прочным ковалентным связям, образующим макромолекулярные соединения.

Однако эпохальное достижение трех нобелевских лауреатов 2000 года - Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США) и Хидеки Ширакаве (Японии) - круто изменило общепринятую точку зрения. Этим ученым впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник.

Как это часто бывает в истории науки, открытию помогла случайность. Студент Ширакавы как - то по ошибке добавил слишком много катализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это навело на мысль о том, что он перестал быть изолятором. Дальнейшие исследования привели к открытию полимера с проводимостью,в десят - ки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это открывает путь к новой электронике ХХI века, основанной на органических материалах. Ведь органические материалы легче и гибче традиционного кремния, им проще придать нужную форму, в том числе и трехмерную.

Что же представляют собой проводящие полимеры? Если коротко, то основой для них служат вещества с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные углеродные связи. В чистом виде они не являются проводниками, поскольку электроны в них локализованы в силу их участия в образовании ковалентных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после их ввода появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи. Распространенным примером проводящего полимера является полианилин. На проводящих полимерах основана молекулярная электроника. Например, ученые из Аризонского университета создали ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов. Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы, диоды.

Американская компания Superconnect разработала материал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в Интернете в сто раз! Это особый полимер, склеенный с набором фуллеренов, позволяющий управлять потоками света при помощи других потоков (т.е. чисто фотонный транзистор).

Рис 109. Сочетание фуллеренов и

полимерных цепей _ ключ к

сверхбыстрым оптическим

переключателям

Это - первый шаг на пути создания полностью оптических маршрутизаторов в Интернете. Сейчас для управления потоками данных (которые между крупными узлами передаются по оптоволокну),их преобразовывают из оптических импульсов в электронные. Чипы определяют направление передачи и переключают канал, после чего поток битов в виде электронов снова переводят в световые импульсы и отправляют к месту назначения. Такие двойные преобразо - вания - одно из узких мест, снижающих общую пропускную способность Интернета. Заменив обычные маршрутизаторы, сочетающие оптические и электронные компоненты,на полностью оптические, можно будет повысить скорость передачи данных в сто раз.

Дешевизна производства полимеров открывает перед органической электроникой новые области применения. Например, такие полимеры позволят печатать любую ИС на простых компьютерных принтерах, используя особый химический раствор вместо чернил. Это - колос - сальное технологическое и экономическое преимущество, ведь принтер прост в обращении и

стоит копейки по сравнению с традиционным дорогостоящим оборудованием для изготовления интегральных микросхем.

На принтерах, например, в ближайшее время сотрудники британской компании Cambrige Display Technologies собираются наладить выпуск видеодисплеев для мобильных телефонов и

других переносных устройств. Исходным материалом для таких дисплеев будут новые светоизлучающие полимеры, где излучение происходит в результате рекомбинации электронов и дырок. Также в скором времени следует ожидать массового производства новых пластиковых мониторов на основе полимерных матриц. На фото изображен один из лабораторных образцов таких дисплеев компании Universal Display.

Рис 110. Демонстрация гибкого

монитора на основе проводящего

полимера*

Более того – если можно печатать и проводники, и полимеры, то почему бы не напечатать на принтере сам принтер? Именно это и стремятся сделать добровольцы проекта RepRap - самореплицирующийся принтер, который сможет печатать все детали для своих копий из проводящих, полупроводящих и непроводящих полимерных чернил. Конечно же, он сможет не

только размножаться - на таком принтере можно будет запросто «распечатать» цифровую фотокамеру или мобильный телефон!

Полярные полимеры характеризуются наличием в их структуре постоянных диполей. Если конформация полимера жестко закреплена, результирующий момент молекулы будет определяться тем, складываются или вычитаются моменты отдельных сегментов. В общем случае полимерные молекулы не находятся в одной фиксированной конформации и экспериментальная величина - среднеквадратичный дипольный момент - является усреднением по многим различным конформациям.

У полярных полимеров диэлектрическая проницаемость определяется не только электронной, но также резонансной и релаксационной поляризацией. Характерное время установления резонансной поляризации зависит от температуры и составляет 10-13 -10-12 с. Время установления релаксационной поляризации зависит от температуры и изменяется на много порядков. Поэтому диэлектрическая проницаемость полярных полимеров уменьшается с частотой и сложным образом зависит от температуры.

Для полярных полимеров, обладающих более высокой диэлектрической проницаемостью, чем неполярные, молярная поляризация с ростом температуры уменьшается. Соотношение (1.5) в этом случае преобразуется к виду

где - составляющие тензора деформационной поляризуемости молекулы,- ее постоянный (результирующий) дипольный момент молекулы,- постоянная Больцмана,- температура. Уравнение (1.6) часто называют уравнением Дебая для молярной поляризации.

Дипольные моменты атомных групп существенным образом зависят от типа их химической связи с молекулой, в которую они входят. Необходимость учета сильного локального взаимодействия между молекулой и ее окружением и, как следствие этого, локального

упорядочения, было учтено введение коэффициента корреляции , определяемого как:

где - число ближайших молекул в системе, γ - угол между молекулой в точке отсчета и ее ближайшим соседом. При учете коэффициента корреляции и некоторых других улучшений, осуществленных Фрелихом, конечным результатом явилось следующее уравнение (называемое уравнением Фрелиха), которое связывает макроскопическую диэлектрическую проницаемость с дипольным моментом молекулы:

где показатель преломления света в данном диэлектрике.

Во всех полярных полимерах различают два типа релаксационных потерь: дипольно-сегментальные и дипольно-групповые. Первый тип обусловлен движением крупномасштабных сегментов макромолекул, которые можно представить как изгибные колебания основной молекулярной цепи. Второй тип потерь связан с вращением малых полярных групп, содержащихся в боковых ветвях макромолекулы. Несколько областей максимумов дипольно-групповых потерь (β, γ, δ) наблюдаются тогда, когда у полимера есть полярные группы, обладаю различной подвижностью. Отметим, что некоторая подвижность полярных групп сохраняется вплоть до гелиевых температур.

С увеличением полярности полимера возрастают диэлектрические потери, вызванные электрической проводимостью. Они наблюдаются при высоких температурах на низких частотах и экспоненциально увеличиваются с повышением температуры.

сти между проводниками и компонентами схемы в различных электронных чипах, позволяя увеличить их быстродействие.

Полиимиды рассматриваются в современной микроэлектронике как одни из наиболее перспективных изоляционных материалов. Эти полимеры обладают хорошими термическими, механическими и электрическими свойствами, которые можно еще улучшить, если уменьшить их диэлектрическую проницаемость. Один из самых простых ароматических полиимидов имеет следующую структурную формулу:

С целью уменьшения диэлектрической проницаемости полиимида было предложено заменить часть атомов водорода на атомы фтора, поскольку поляризуемость связей C – F меньше, чем связей C – H. Связь C – F очень полярна, что, тем не менее, не сказывается на диэлектрической проницаемости на высоких частотах, но может привести к ее возрастанию на низкой частоте. Однако полиимиды обычно используются при температурах ниже температуры стеклования, поэтому ориентационная поляризация затруднена и не вносит заметного вклада в рабочем диапазоне частот. Более того, использование симметричного замещения помогает избежать появления результирующего дипольного момента:

Использование фторированных полиимидов позволяет снизить диэлектрическую проницаемость от 3,4 до 2,8.

Другим способом, позволяющим снизить диэлектрическую проницаемость, является увеличение доли свободного объема1 в полимерном материале. Увеличение свободного объема приводит к снижению числа поляризующихся групп в единице объема, снижая тем самым диэлектрическую проницаемость полимера. Оценки показывают, что данный способ позволяет уменьшить значение диэлектрической проницаемости на несколько десятков процентов относительно первоначального значения.

В целом, рассматривая оба способа, можно сделать вывод о том, что при создании молекулярных структур с низкой диэлектрической проницаемостью регулирование свободного объема столь же важно, как и выбор функциональных групп с малой поляризуемостью.

Наряду с созданием полимерных диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью в последние годы стала актуальной и другая задача - создание тонкопленочных полимерных диэлектрических материалов со сверхвысоким значением диэлектрической проницаемости. Их предполагается использовать в качестве подзатворных диэлектрических слоев в органических полевых транзисторах (ОПТ). К подзатворным диэлектрикам ОПТ предъявляется ряд специфических требований. Эти слои должны обладать высокой диэлектрической проницаемостью, низкой проводимостью и потерями, а толщина их не должна превышать нескольких сотен нанометров. В настоящее время при изготовлении ОПТ в качестве подзатворных диэлектрических слоев широко используются тонкие слои неорганических окислов, таких как SiO2 , Ta2 O5 , Al2 O3 и ряда других. Диэлектрическая проницаемость этих окислов составляет примерно 6 – 30 при толщине слоя от 5 до 500 нм.

1 Свободный объем в полимере - это объем, дополнительный к занимаемому атомами, исходя из их вандерваальсового радиуса, объему.

Задача перехода от неорганических оксидных к полимерным диэлектрическим слоям связана с необходимостью упрощения технологии изготовления ОПТ, поскольку реализация «принтерной»1 технологии изготовления ОПТ с оксидными диэлектриками затруднительна.

Полярные полимерные диэлектрики следует рассматривать как перспективные материалы, которые можно использовать для этих целей. Особый интерес представляют полимерные диэлектрики, в молекулах которых присутствуют полярные группы с большим значением дипольного момента. Типичным представителем этого класса полимерных диэлектриков является циановый эфир поливинилового спирта (ЦЭПС). Структурная формула мономерного звена ЦЭПС имеет вид

ЦЭПС характеризуется одним из наиболее высоких значений диэлектрической проницаемости среди известных полимерных материалов. Значение ε этого полимера на частоте порядка 103 Гц равно

15, а tgδ не превышает 0,1 – 0,15.

Столь значительная диэлектрическая проницаемость ЦЭПС обусловлена присутствием сильно полярных нитрильных (C N), кар-

бонильных (C=O) и гидроксильных (OH) групп, способных к ориентации под действием внешнего электрического поля (рис. 1.12). При благоприятной ориентации этих групп, обеспечивается максимальное значение дипольного момента равное 5,13 Д, но в среднем суммарный

1 «Принтерная» технология изготовления ОПТ основана на методе струйной печати, а также полиграфическом методе микроконтактной печати и печати термопереносом.

дипольный момент мономерного звена (с учетом коэффициента корреляции g = 0,84) составляет 3,63 Д.

Рис. 1.12. Значительный дипольный момент мономерного звена ЦЭПС возникает в результате ориентации полярных групп

Полимерные диэлектрики широко применяемые в различных электронных устройствах. В органической электронике они чаще всего используются в виде тонких пленок, поэтому даже при относительно невысоких рабочих напряжениях, напряженность электрического поля в них достигает значительных величин. Действительно, в пленке толщиной 100 нм при воздействии на нее напряжения 10 В средняя напряженность поля уже составляет 106 В/с, но в локальных областях полимера, например, на границе аморфной или кристаллической областей или на интерфейсе электрод-полимер, может существенно превосходить это значение. Таким образом, проблемы связанные с электрической прочностью тонких полимерных пленок и их работоспособностью в сильном электрическом поле приобретают первостепенное значение.

К настоящему времени установлено, что электрическое разрушение пленок не является критическим событием, происходящим при достижении определенной напряженности поля. Время их жизни в электрическом поле (долговечность) экспоненциально уменьшается при увеличении его напряженности. Электрическое разрушение по-

лимерных пленок можно рассматривать как процесс, состоящий из двух последовательных этапов. На первом (подготовительном) этапе происходит инициируемое электрическим полем накопление повреждений макромолекул. Длительность этого этапа определяет долговечность образца пленки в электрическом поле (время от момента приложения напряжения к полимеру до пробоя). На втором (завершающем) этапе полимерный диэлектрик теряет способность сопротивляться протеканию тока высокой плотности, наблюдается резкое его возрастание, т. е. происходит электрический пробой.

Электрическая прочность пленок многих полимеров изучалась на постоянном, переменном и импульсном напряжении. Проведенные исследования показывают, что пробой тонких пленов полимеров раз-

личных типов происходит в полях с напряженностью (2–6) 108 В/м.

Эта величина практически не отличается от напряженности полей, в которых в условиях ограничения частичных разрядов пробиваются более толстые пленки полимеров.

Важными факторами, во многом определяющими подходы, используемые при рассмотрении механизма электрического пробоя тонкопленочных полимерных структур, являются зависимость их электрической долговечности от напряженности поля и влияние скорости подъема напряжения и материала электродов на величину пробивной напряженности.

Наблюдаемое влияние напряженности электрического поля на долговечность и скорости подъема напряжения на пробивную напряженность, представляется весьма важным фактом, поскольку его можно рассматривать как указание на то, что электрическое разрушение тонких полимерных пленок действительно является следствием постепенного накопления повреждений (изменений), завершающегося пробоем. В ходе этого процесса создаются условия, при которых в определенный момент времени под воздействием сильного электрического поля полимерный диэлектрик теряет свои «диэлектрические

свойства» и оказывается способным пропускать значительные токи, приводящие к его разрушению (пробою) вследствие выделения тепла.

Деградация полимерного материала в электрическом поле протекает вследствие разрыва химических связей в молекулах полимеров, выделения энергии при рекомбинации зарядов и тепловыделения при протекании тока высокой плотности.

1.6. ПОЛИМЕРЫ С СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ

Основное различие между полимерными диэлектриками и полимерами, обладающими собственной электронной проводимостью, заключается в том, что первые не содержат сопряженных химических связей, которые есть во вторых.

Среди многообразия проводящих полимеров, в соответствие с классификацией, предложенной А. В. Ванниковым, исходя из особенностей транспорта носителей заряда, условно можно выделить следующие группы.

1. Проводимость определяется транспортом носителей заряда по полимерным полисопряженным цепям. Типичными представителями этой группы полимеров являются ориентированный полиацетилен, политиофен, полипиррол.

2. Носители заряда движутся по полимерным полисопряженным цепям, но суммарный транспорт определяется прыжками носителей заряда между полимерными цепями. В эту большую группу входят многочисленные производные полифениленвинилена, полиметилфенилсилилен и другие. Здесь следует отметить, что межмолекулярный перенос заряда сильно затрудняет транспорт, поэтому подвижность носителей заряда в таких полимерах существенно ниже, чем внутримолекулярная подвижность.

3. Локализованные транспортные центры расположены в основной цепи полимера, не имеющей полисопряжения, например полиимид, содержащий в основной цепи трифениламинные или антраценовые транспортные группы.

4. Локализованные транспортные центры являются боковыми заместителями основной цепи полимера. Сюда относятся поливинилкарбазол, полиэпоксипропилкарбазол, поливинилантрацен и т. д.

5. Последняя, самая обширная группа включает полимеры, допированные активными низкомолекулярными соединениями. В таких соединениях именно полимерная матрица, как правило, определяет физико-механические и спектральные свойства системы.

Механизм проводимости полимеров, относящихся ко 2–5 группам, является прыжковым и связан с переносом носителей заряда по транспортным центрам. По своей природе и наблюдаемым закономерностям он подобен прыжковому механизму подвижности. В зависимости от природы полимера подвижность в них может быть электронной или дырочной.

Дырочный транспорт осуществляется по транспортным центрам, имеющим минимальный потенциал ионизации. Обычно это ароматические аминные группы или соединения. Транспорт дырки связан с прыжком электрона с высшей заполненной молекулярной орбитали (уровня НОМО) нейтрального транспортного центра, на молекулярную орбиталь соседнего положительно заряженного транспортного центра.

Транспорт электронов происходит по транспортным центрам, характеризующимся максимальным сродством к электрону. Чаще всего, в качестве таких центров выступают кислородосодержащие группы. Электрон с молекулярной орбитали отрицательно заряженного центра переходит на низшую свободную орбиталь (уровень LUMO) соседнего нейтрального транспортного центра.

Проводимость,

Структурная формула Название

полиацетилен 10 4

полифенилен 10 3

полипиррол 10 3

политиофен 10 3

полианилин 10 2

Рис. 1.13. Структурные формулы проводящих полимеров

Электропроводность полимеров, относящихся к первой группе, определяется электропроводностью полимерных цепей. Эти полимеры относятся к полимерам с высокой темновой проводимостью. Структурные формулы и удельная проводимость некоторых из них представлены на рис. 1.13.

-/a 0 /a

Рис. 1.14. График зависимости энергии от волнового вектора электрона в моноатомной линейной цепочке (а ) и плотность состоянийg (E )

для этой цепочки (б ). Состояния, занятые электронами приT = 0, заштрихованы