مواد نانوالکترونیک آلی 2

1- مقدمه

مواد آلی در هر سه حالت مایع، جامد و گاز وجود دارند، اما فقط آن دسته از مواد آلی که ساختارهای ملکولی خاصی دارند، از خود رفتار الکتریکی مطلوبی نشان می‌دهند. این مواد به چهار دسته کلی تقسیم‌بندی می‌شوند: (الف) کمپلکس‌های آلی انتقال بار؛ (ب) پلیمرهای رسانا؛ و (ج) ژل‌های رسانا؛ و (د) پلیمرهای دی الکتریک. در ادامه به معرفی هر کدام از این مواد پرداخته می‌شود و ارتباط بین ساختار ملکولی و خواص الکتریکی آنها مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

2- کمپلکس‌های آلی انتقال بار الکتریکی

در عمل، به دو طریق می‌توان کمپلکس‌های آلی انتقال بار را سنتز کرد: (الف) افزودن ماده‌‌‌‌ای آلی یا معدنی به یک ماده آلی؛ و (ب) سنتز یا لایه‌‌‌‌نشانی دو ماده آلی به صورت ورقه‌‌‌‌های موازی. در حالت اول، یک ماده آلی با تمایل بالا برای دریافت الکترون (high electron-affinity organic material)، با یک ماده آلی یا غیرآلی دیگر با تمایل بالا به دادن الکترون (low electron-affinity organic material)، کامپوزیت می‌شود. در این حالت، یکی از مواد نقش گیرنده الکترون و دیگری نقش دهنده الکترون را ایفا می‌کند. نکته حائز اهمیت این است که ساختار سه بعدی این کامپوزیت‌ها می‌بایست بسیار یکنواخت باشد و مراکز یادشده به طور همگن در سراسر ماده توزیع شده باشند. به این ساختارها، ساختارهای مخلوط (mixed stack structures) نیز گفته می‌شود. در حالت دوم، دو ماده آلی با قدرت الکترون‌خواهی متفاوت، به صورت آرایه‌های لایه‌ای بر روی یکدیگر لایه‌نشانی می‌شوند. به این ساختارها، ساختارهای مجزای ورقه‌ای (segregated stack structures) یا نمک‌‌‌‌های آلی انتقال بار (Organic charge transfer salts) گفته می‌شود. شکل 1 شمایی از این دو ساختار را نشان می‌دهد. شکل 2 نیز تصویر نوری ریزساختارهای کلی این مواد را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، هرگاه ماده آنترانسن (anthracene) به عنوان دهنده الکترون و ماده PMDA (pyromellitic dianhydride) به عنوان گیرنده الکترون با یکدیگر مخلوط می‌شوند تا کمپلکس آلی انتقال بار را به وجود آورند، رنگ این مواد نسبت به حالت اولیه به طول کامل تغییر پیدا می‌کند. این تغییر رنگ نشان می‌دهد که ساختار نواری این مواد پس از اختلاط به طور کامل تغییر پیدا کرده و در حالت کلی، عرض نوار ممنوعه الکترون در این ساختار به طور قابل توجهی کاهش یافته است. تغییر رنگ نسبت به حالت اولیه، یکی از مشخصه‌های بارز کمپلکس‌های آلی انتقال بار به شمار می‌رود.

3- پلیمرهای رسانا یا مزدوج با پیوند π

در حالت کلی، رسانایی پلیمرهای آلی مزدوج، به رسانایی الکتریکی مواد نیم‌‌‌‌رسانای ذاتی شباهت دارد و دلیل آن نیز به پایین بودن غلظت حامل‌های آزاد بار برمی‌‌‌‌گردد. بنابراین بهتر است مشابه با نیم‌‌‌‌رساناهای غیرذاتی، تعداد حامل‌های بار در پلیمرهای رسانا را از طریق دوپ کردن یک ماده افزودنی مناسب افزایش داد و یک سری ترازهای مجاز اضافی در مجاورت نوارهای رسانش و ظرفیت به وجود آورد. در واقع، افزودن عنصر دوپنت به ساختار ملکولی پلیمرهای مزدوج باعث تزریق گروه بزرگی از الکترون‌‌‌‌ها و حفرات به داخل ماده می‌‌‌‌شود. این حامل‌های بار افزوده شده، در اثر یک سری فعل و انفعالات انرژیتیکی، موجب تشکیل شبه ذراتی موسوم به سالیتون می‌‌‌‌شوند و رسانایی الکتریکی این مواد را افزایش می‌دهند. برای مثال، امروزه از دوپنت‌‌‌‌هایی مانند AsF₂، I₂ و Br₂ برای افزایش رسانایی الکتریکی پلی‌‌‌‌استیلن ترانس استفاده می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که افزودن چنین دوپنت‌هایی حتی می‌تواند رسانایی الکتریکی پلیمرهای رسانا را تا یک میلیارد برابر هم افزایش دهد و رفتار رسانایی مشابه با فلزات را به وجود آورد. در حالت کلی، عوامل موثر بر رسانایی پلیمرهای رسانا عبارتند از: (الف) تحرک‌پذیری حامل‌های بار الکتریکی؛ (ب) چگالی حامل‌های بار؛ (ج) نوع یون‌های دوپ شده؛ (د) غلظت دوپنت؛ و (ه) دما.

4- ژل‌های رسانا یا مزدوج با پیوند π

(الف) کنترل مورفولوژی و میزان بلورینگی پلیمرهای رسانا بسیار دشوار است و شدیداً به نرخ گرمایش و پارامترهای ریزساختاری این مواد بستگی دارد.
(ب) تولید پلیمرهای رسانا با خلوص بسیار بالا در فرآیند سنتز بسیار دشوار است.
(ج) حلالیت پلیمرهای مزدوج در محلول‌های آبی، نسبتاً پایین است.

برای رهایی از چالش‌های یاد شده، دسته‌ خاصی از مواد آلی موسوم به «پلیمرهای درشت‌ملکول (supramolecular polymers) از جنس ملکول‌های مزدوج با پیوندهای π» یا «ژل‌های رسانا (π-gels)» توسعه یافته است. در واقع، ساختار ملکولی ژل‌های رسانا از آرایه‌های منظمی از ملکول‌های مزدوج با اشکال و ابعاد مختلف تشکیل می‌شود. مهم‌ترین ویژگی‌های ژل‌های رسانا، امکان دستیابی به خاصیت فوتولومینیسانس و کنترل آسان تحرک‌پذیری حامل‌های بار و رسانایی الکتریکی آنها است.
سه نکته در مورد ژل‌های رسانا و خواص آنها بسیار حائز اهمیت است: اول اینکه ساختار پیوندی ملکول‌های تشکیل دهنده ژل‌های رسانا، مشابه با پلیمرهای مزدوج با پیوند‌ π است. به عبارت دیگر، ملکول‌های تشکیل‌دهنده یک ژل رسانا دارای پیوندهای یگانه و دوگانه متوالی هستند و جریان الکترون از طریق رزونانس پیوندها در طول زنجیره ملکولی شارش می‌یابد. دوم اینکه ملکول‌های تشکیل دهنده ژل رسانا، اغلب رفتار خودآرایی ملکولی (molecular self-assembly) دارند. به عبارت دیگر، نیروهای دافعه یا جاذبه بین واحدهای ملکولی منجر به چیدمان خاصی از ملکول‌ها کنار یکدیگر می‌شود. همین خاصیت خودآرایی منجر به رفتار الکتریکی ویژه در این مواد می‌شود. نکته سوم اینکه در بسیاری از ژل‌های رسانای مرسوم،‌ برخورد پرتوی نوری می‌تواند منجر به تحریک الکترون‌های اوربیتال π در این شود. به بیان دیگر، ممکن است بخشی از طول موج نور فرودی توسط ساختار ژل‌های رسانا جذب شود و ما شاهد تغییر رنگ ژل در اثر نور فرودی باشیم. از این خاصیت فوتولومینیسانس می‌توان در دیودهای نشر دهنده نور (LEDs) استفاده کرد.

5- پلیمرهای دی‌الکتریک

متداول‌ترین پلیمرهای عایق عبارتند از: پلی‌متیل‌متاکریلات، پلی‌وینیل‌فنول، پلی‌استارین‌، پلی‌وینیل‌الکل، پلی‌ایمیدها، و پاریلن. شکل 5 نمونه‌‌هایی از ساختارهای ملکولی پلیمرهای عایق را نشان می‌دهد. اغلب از دو لایه عایق پلیمری در ادوات نانوالکترونیکی استفاده می‌شود. این کار دو دلیل عمده دارد: (الف) از قدرت و ظرفیت کافی عایق بودن این لایه اطمینان حاصل شود؛ و (ب) فصل مشترک مرجحی برای رشد دادن لایه نیم رسانای آلی بر روی این لایه به وجود آید. لازم به ذکر است که میزان قطبش، ویسکوزیته، آبگریزی، و زبری سطح لایه‌های پلیمری دی الکتریک به شدت بر روی رشد لایه نیم رسانای آلی و کیفیت آن اثر می‌گذارد. یکی از متداول‌ترین روش‌های لایه‌نشانی نیم رسانای آلی بر روی پلیمر عایق در ترانزیستورهای آلی اثر میدان، لیتوگرافی دقیق است.

نتیجه‌‌‌‌گیری

در مقاله حاضر، مواد آلی به موادی اطلاق شدند که ستون فقرات ساختار ملکولی آنها، از پیوندهای کربن-هیدروژن تشکیل شده باشد. گفته شد که تاکنون بیش از 16 هزار نوع ماده آلی با ساختارهای ملکولی و شیمیایی مختلف تولید شده است، اما تاکنون فقط تعداد محدودی از این مواد، امکان استفاده در ادوات نانوالکترونیکی پایه آلی را داشته‌اند. این مواد عبارتند از: کمپلکس‌های آلی انتقال بار الکتریکی، پلیمرهای رسانا یا مزدوج با پیوندهای π، ژل‌های رسانا، و پلیمرهای دی الکتریک. تلاش شد مبانی کلی هر کدام از موارد یاد شده معرفی شوند و جایگاه و اهمیت آنها در حوزه نانوالکترونیک به زبان ساده بیان شود. گفته شد که کمپلکس‌های آلی انتقال بار آرایه‌های سه‌بعدی از مراکز دهنده و گیرنده الکترون هستند که بار الکتریکی بین این مناطق جابجا و دست به دست می‌شود. در مقابل، پلیمرهای رسانا دارای ملکول‌هایی با پیوندهای یگانه و دوگانه متناوب هستند که بار الکتریکی با رزونانس پیوندهای تشکیل دهنده ستون فقرات واحدهای ملکولی، در طول زنجیره جابجا می‌شود. همچنین، ژل‌های رسانا همان پلیمرهای رسانا هستند، با این تفاوت که ملکول‌های تشکیل دهنده این مواد، خاصیت خودآرایی داشته و واحدهای تشکیل دهنده آنها می‌توانند بخشی از طول موج نور فرودی را جذب کنند و خاصیت فوتولومینسانس از خود نشان دهند. برخلاف سه مورد یاد شده که کاربرد اصلی آنها، رسانایی بالا است، پلیمرهای عایق نیز کاربردهای ویژه‌ای در ساخت ادوات نانوالکترونیکی دارند. این مواد در برابر عبور جریان الکترون مقاومت می‌کنند و نقش عایق را در کاربردهای الکتریکی ایفا می‌‌نمایند. هدف از مقاله حاضر، آماده کردن خوانندگان برای ورود به کاربردهای پیشرفته مواد آلی در نانوالکترونیک است.