Сотрудники Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова разработали новый класс органических полупроводников на основе диазафлуорена, которые демонстрируют высокую стабильность на воздухе в качестве активного слоя n-канальных транзисторов и высокую чувствительность сенсоров для обнаружения сероводорода. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Органическая электроника — перспективная область, которая предлагает гибкие, лёгкие и дешёвые альтернативы традиционным кремниевым устройствам. Её применение открывает путь к созданию носимых медицинских датчиков, складных дисплеев и даже интеллектуальных упаковок нового поколения. Однако создание стабильных и эффективных органических полупроводников n-типа (проводящих электроны), способных работать на воздухе, а не в инертной атмосфере, остается серьёзной научной задачей. Эта проблема долгое время сдерживала разработку полноценных комплементарных схем и сложной органической логики, требующей как p-, так и n-типов проводимости.

«Нам удалось создать молекулу, которая сочетает в себе три ключевых свойства: низкий уровень граничных орбиталей для эффективного переноса электронов и стабильности, относительно низкий дипольный момент для минимизации ловушек заряда и химическую функциональность для сенсорного отклика на целевые газы. Производные диазафлуорена — это перспективные кандидаты для практического применения в органической электронике», — прокомментировал руководитель проекта, заведующий лабораторией органической электроники НИОХ СО РАН Максим Казанцев.

Исследователи синтезировали серию новых соединений на основе 4,5–диазафлуорена. Эта стратегия является результатом целенаправленного поиска устойчивых электроноакцепторных архитектур. Основная особенность структуры 4,5–диазафлуорена — наличие атомов азота, которые придают материалу сильные электроноакцепторные свойства, необходимые для переноса отрицательных зарядов, а также сенсорную способность. Введение атомов азота в сопряженную систему позволило значительно понизить энергетические уровни молекулы, обеспечивая как высокую электронную подвижность, так и исключительную стабильность в условиях атмосферного воздействия.

Иследователи синтезировали серию производных диазафлуорена с различными донорными и акцепторными фрагментами, что позволило тонко настраивать их электронные свойства. Наилучшие результаты показало соединение с дицианометилиденовым фрагментом.

На основе данного соединения были созданы органические полевые транзисторы (OFET). Впервые для диазафлуореновых производных обнаружен эффективный транспорт зарядов. Устройства на основе монокристаллов и тонких плёнок продемонстрировали электронную подвижность. Важнее всего, что тонкоплёночные транзисторы сохраняли свою работоспособность в воздушной атмосфере, что является редкостью для полупроводников n-типа.

Тонкоплёночные транзисторы были успешно применены в качестве газовых сенсоров. Устройства продемонстрировали чёткий и быстрый отклик на крайне низкие, суб-ppm концентрации сероводорода (H₂S) в воздухе — на уровне 500 миллиардных долей. Чувствительность к H₂S объясняется способностью молекул полупроводника связываться с этим газом.

С помощью рентгеноструктурного анализа также была определена кристаллическая структура всех соединений, показана плотная упаковка молекул, благоприятная для переноса заряда. Квантово-химические расчёты подтвердили высокий потенциал разработанных материалов для применения в электронных устройствах.

Это исследование открывает путь к созданию новых стабильных на воздухе органических электронных устройств, таких как компоненты гибкой электроники, высокочувствительные сенсоры и устройства «электронный нос» для мониторинга окружающей среды и диагностики заболеваний по выдыхаемому воздуху.

Источник: пресс-служба РНФ.