Учёные предложили делать элементы микросхем размером в одну молекулу

19 августа 2019
Смоделированное движение экситона

Современная кремниевая электроника практически дошла до предела миниатюризации. Использование органики потенциально позволяет создавать элементы микросхем размером в одну молекулу. Учёные НИЯУ МИФИ ведут активные исследования в этой области. Недавно они смоделировали изменения возбужденного состояния молекулы органического полупроводника. Результаты работы опубликованы в Journal of Physical Chemistry.

Органическая электроника считается перспективной по двум причинам. Во-первых, сырьё для органического синтеза вполне доступно. Во-вторых, использование органических материалов позволяет делать элементы микросхем размером в одну молекулу, что сближает их с внутриклеточными структурами живых объектов.

Направленный дизайн органических молекул и функциональных материалов для органической электроники – перспективное научное направление. Учёные обобщают существующий мировой опыт и занимаются предсказательным моделированием.

«Наша группа занимается предсказательным моделированием свойств материалов для органической электроники, конкретно – для органических светодиодов (OLED). При работе OLED с катода подаются электроны, с анода – дырки, где-то посередине устройства они встречаются и рекомбинируют, при этом излучается свет. Состояние, когда электрон и дырка находятся рядом, но не рекомбинируют, может жить достаточно долго – его называют экситоном, чаще всего этот экситон локализован в пределах одной молекулы»,

– рассказала один из авторов исследования, называется ассистент кафедры физики конденсированных сред Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и научный сотрудник Центра фотохимии РАН Александра Фрейдзон.

По её словам, с помощью переноса экситона на соседние молекулы удобно управлять цветом и эффективностью свечения OLEDов: между слоями n- и p-типов органических полупроводников помещают излучающий слой (обычно тоже полупроводник), где электроны с дырками встречаются, рекомбинируют и не "разлучаются".

«Мы изучили поведение экситона в молекуле типичного дырочного полупроводника, также используемого в качестве матрицы излучающего слоя. Выяснилось, что экситон локализуется не на всей молекуле, а на отдельных её частях, и может мигрировать по молекуле. В частности, мигрировать под действием небольших возмущений – таких, как присутствие другой молекулы (например, допанта-излучателя)», – сообщила Александра Фрейдзон.

Исследователи прояснили механизм и оценили время миграции экситона из одного конца молекулы в другой.

«Оказалось, что по одному из путей миграция происходит очень быстро, в пикосекундном масштабе – и помогают ей в этом вполне определенные внутримолекулярные колебания», – добавила сотрудник НИЯУ МИФИ.

Как считают авторы, теперь можно оценить, как на этот процесс влияет присутствие соседних молекул, и предложить модификации структуры исходной молекулы, чтобы сделать процесс переноса энергии возбуждения на молекулу излучателя максимально эффективным. В этом и состоит процесс виртуального проектирования функциональных материалов: ученые выделяют ключевую функцию материала и строят модель процесса, лежащего в основе этой функции, чтобы определить основные факторы, влияющие на эффективность процесса, и предложить новые модификации материала.

Учёные отмечают, что сейчас находятся на первой стадии понимания процесса миграции экситона в органических полупроводниках. Уже скоро они смогут давать рекомендации по модификации молекул, используемых в матрицах излучающих слоев OLED.