آموزش پیشرفتهآموزش نانو

مواد نانوالکترونیک آلی 1

مواد آلی به آن دسته از مواد گفته می‌شود که ساختار پیوسته‌ای از پیوندهای کربن-هیدروژن دارند. تاکنون بیش از 16 هزار نوع ماده آلی با ساختارهای ملکولی و شیمیایی مختلف تولید شده است. یکی از اصلی‌ترین کاربردهای این دسته از مواد، استفاده از آنها در ساخت ادوات نانوالکترونیکی است. از این رهگذر، حوزه‌ای در الکترونیک با عنوان «نانوالکترونیک آلی» (organic nanoelectronics) توسعه یافته است. در مقاله حاضر، به تاریخچه پیدایش مواد آلی پرداخته می‌شود و تعاریف مختلفی که برای این دسته از مواد در بستر تاریخ ارائه شده است مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. پرکاربر‌دترین مواد آلی مورد استفاده در نانوالکترونیک معرفی می‌شوند و چندین مثال کاربردی برای درک بهتر ماهیت این مواد و عملکرد آنها در ادوات الکترونیکی ارائه می‌گردد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- ترکیب شیمیایی مواد آلی
3- مزیت‌های مواد آلی در نانوالکترونیک
4- انواع مواد آلی مورد استفاده در نانوالکترونیک آلی
نتیجه­‌گیری

1- مقدمه

در قرن‌های گذشته، مواد آلی، به آن دسته از مواد طبیعی گفته می‌شدند که در زندگی بشر مورد استفاده قرار می‌گرفتند و با روش‌های آزمایشگاهی تولید نشده بودند. از این رو، به شیمی آلی (organic chemistry)، «شیمی طبیعی» (chemistry of life) نیز گفته می‌شد. با گذشت زمان، مفهوم شیمی آلی، به «شیمی ترکیبات کربنی» به ویژه‌، ساختارهای کربنی موجود در زغال‌سنگ محدود شد. در یک قرن اخیر، مفاهیم یاد شده توسعه یافتند و بعدها، شیمی آلی، به «مطالعه شیمیایی ترکیبات کربنی و عناصر موجود در گونه‌های زیستی زنده» گفته شد.

ترکیبات آلی که ما امروزه با آن سروکار داریم، اغلب ترکیباتی هستند که در بدن موجودات زنده یا لاشه‌های قدیمی آنها یافت می‌شوند. در زمان‌های گذشته، ترکیبات آلی به مواد روغنی گفته می‌شدند که از تقطیر گیاهان یا آلکالوئيدها (alkaloid) به دست می‌آمدند. منتول (Menthol) نمونه معروفی از ترکیبات معطر است که از روغن گیاه نعناع استخراج می‌شود. حتی در قرن شانزدهم، یکی از آلکالوئیدهای معروف به نام «کوئینین» (quinine)، از پوست درختان در آفریقای جنوبی استخراج می‌شد و در درمان تب‌‌های حاد مورد استفاده قرار می‌‌گرفت. کوئینین یکی از مواد آلی رایج به شمار می‌رود. ساختار ملکولی منتول و کوئینین در شکل 1 آورده شده است.

شکل 1- نمونه‌هایی از ترکیبات آلی رایج: منتول و کوئینین.

زغال سنگ، منبع اصلی مواد شیمیایی موجود در قرن نوزدهم بوده است. در آن روزها، اغلب از تقطیر زغال سنگ، قیر قهوه‌ای رنگی تولید می‌کردند که غنی از ترکیبات آلی آروماتیکی نظیر بنزن، پیریدین، فنول، آنیلین، و تیوفن بود. از آنجایی که با سوختن ترکیبات آروماتیکی، هیدروژن و گاز مونوکسید کربن تولید می‌شود، این ترکیبات برای تولید روشنایی و گرما مورد استفاده قرار می‌گرفتند. شکل 2 ساختار ملکولی مهم‌ترین ترکیبات آلی آروماتیکی را نشان می‌دهد.

شکل 2- ساختار ملکولی مهم‌ترین ترکیبات آلی آروماتیکی شامل بنزن، پیریدین، فنول، آنیلین، و تیوفن.

فنول بعدها به عنوان ماده ضد عفونی کننده در عمل‌های جراحی و آنیلین به عنوان ماده اصلی تولید رنگ‌های صنعتی مورد استفاده قرار گرفت. دانشمندان پس از شناخت خواص منحصر به فرد برخی از ترکیبات آلی، درصدد تولید این مواد در آزمایشگاه، دستکاری ساختارهای ملکولی، و تولید مواد آلی خاصی که در طبیعت وجود نداشت برآمدند. از آن زمان به بعد، دیگر تعریف شیمی آلی به عنوان شیمی مواد طبیعی کنار گذاشته شد.به عنوان مثال، ترکیب آلی درشت‌ملکول بیسمارک براون (Bismarck Brown) (شکل 3)، نمونه‌ای از مواد سنتز شده و غیرطبیعی است که در صنعت رنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شکل 3- ساختار ملکولی بیسمارک براون.

در قرن بیستم، نفت و فرآروده‌های پتروشیمی به عنوان اصلی‌ترین منبع تولید ترکیبات آلی مطرح شد و از این ماده با ارزش، ترکیباتی مانند هیدروکربن‌ها (متان، پروپان و غیره) استخراج شد. این ترکیبات آلی بیشتر به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گرفت. از آن زمان تاکنون، دانشمندان درصدد تولید یا استخراج ملکول‌های جدید از منابع دیگر در طبیعت مانند قارچ‌ها، باکتری‌ها، مرجان‌های دریایی برآمده‌اند. از این رهگذر، تاکنون، حدود 16 میلیون ترکیب آلی، شناخته شده است. این ترکیبات، با افزایش یا کاهش اتم‌های تشکیل دهنده، تغییر ساختار اتمی ملکول‌ها، یا تغییر گروه‌های عاملی به وجود می‌آیند. این ترکیبات از ملکول‌هایی تشکیل شده‌اند که بسته به نوع پیوند و چیدمان فضایی نسبت به یکدیگر، حالت‌های فیزیکی مشخصی دارند. در حالت کلی، ترکیبات آلی ممکن است به یکی از صورت‌های زیر وجود داشته باشد: (الف) جامد کریستالی؛ (ب) روغن؛ (ج) موم؛ (د) پلاستیک؛ (م) لاستیک‌؛ (ن)؛ مایع فرار یا سیال؛ و (خ) گاز. مسلماً در کاربردهای نانوالکترونیکی، تنها از ترکیبات آلی جامد یا مایع که خواص الکترونیکی مطلوبی دارند می‌توان استفاده کرد.

2- ترکیب شیمیایی مواد آلی

بر اساس آنچه گفته شد، مواد آلی به خانواده‌ای از مواد گفته می‌شود که در طبیعت وجود دارند یا به کمک روش‌های آزمایشگاهی می‌توان آنها را از منابع طبیعی استخراج کرد. اکثر مواد موجود در طبیعت، از هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، کربن، و فسفر تشکیل شده‌اند. به همین دلیل، انتظار می‌رود که مواد آلی نیز از عناصر یادشده غنی باشند. در حالت کلی، اکثر ترکیبات آلی معروف مانند هیدروکربن‌ها، فقط از کربن و هیدروژن با آرایش‌های فضایی مختلف تشکیل شده‌اند. با این حال، در بسیاری از مواد آلی، نیتروژن و اکسیژن نیز وجود دارد. همچنین، برخی از ترکیبات آلی نیز دارای فسفر و سولفور هستند. عناصر یاد شده، عناصر اصلی در شیمی آلی به شمار می‌روند؛ هر چند امروزه به منظور بهبود برخی از خواص مواد آلی، ایجاد یا حذف ویژگی خاص در آنها، یا تولید ترکیبات آلی جدید با خواص منحصر به فرد، برخی از عناصر جدول تناوبی نیز به ساختار اولیه ملکول‌های آلی اضافه می‌شوند. مهم‌ترین این عناصر عبارتند از: فلوئور، سدیم، مس، کلر، و بور. در سال‌های اخیر، عناصر دیگر مانند سیلیسیوم، لیتیوم، هالوژن‌ها، قلع، و پالادیوم نیز برای تولید آزمایشگاهی ترکیبات آلی، به این مواد افزوده شده‌اند. شکل 4 ساختمان ملکولی نمونه‌هایی از ساختارهای آلی مرسوم مانند Butyllithium، trimethylsilyl chloride ،tributyltin hydride ، و halomon را نشان می‌دهد. در ساختار ملکولی این مواد آلی، عناصری مانند سلیسیوم، قلع، مس، کلر، و برم نیز حضور دارند.

شکل 4- ساختمان ملکولی برخی از ترکیبات آلی آزمایشگاهی که در ترکیب شیمیایی خود، عناصری مانند مس، سیلیسیوم، و لیتیوم نیز حضور دارند.

می‌توان مطالب گفته شده را در جدول تناوبی خلاصه کرد و جدولی را به وجود آورد که تنها شامل عناصر تشکیل دهنده یک ماده آلی باشد. این جدول در شکل 5 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود، مهم‌ترین عناصر در شیمی آلی عبارتند از کربن، هیدروژن، نیتروژن، و اکسیژن. سایر عناصر نظیر هالوژن‌ها، (F، Cl، Br، و I)، عناصر سری p جدول تناوبی مانند سیلیسیوم، فسفر، و سولفور، و فلزاتی مانند لیتیوم، پالادیوم، و جیوه نیز در درجه دوم اهمیت قرار دارند.

شکل 5- جدول تناوبی مواد آلی [1].

حال باید به این پرسش پاسخ داد که مرز دقیق بین شیمی آلی و شیمی معدنی کجا است و در چه شرایطی ترکیبی آلی و در شرایط دیگر، معدنی به شمار می‌رود؟ پاسخ به این پرسش آنجا دشوار می‌شود که بسیاری از ترکیبات معدنی نیز از همان عناصری تشکیل شده‌اند که در جدول تناوبی مواد آلی بیان شده‌اند. برای روشن‌تر شدن بحث، بهتر است دو ترکیب مهم ضد ویروس foscarnet و tetrakis triphenyl phosphine palladium را در نظر بگیرید (شکل 6). ترکیب شیمیایی این دو ماده به ترتیب، CPO5Na3 و C72H60P4Pd است. کلیه عناصر تشکیل دهنده این دو ملکول، همان عناصری هستند که در مواد آلی به آنها اشاره شد. آیا این ترکیبات، آلی هستند؟ برای پاسخ به این پرسش باید به ساختار شیمیایی این دو ملکول توجه کرد. ترکیب CPO5Na3 با اینکه دارای فرمول شیمیایی مشابه با ماده آلی است، اما پیوند‌های C-H ندارد. به عبارت دیگر، ستون فقرات این درشت ملکول، از هیدروژن و کربن تشکیل نشده است. در مقابل، ترکیب C72H60P4Pd دارای تعداد زیادی هیدروکربن به صورت 12 حلقه کربنی بنزن است، اما کلیه این حلقه‌ها به اتم‌های فسفر وصل شده‌اند و اتم‌های فسفر نیز به اتم پالادیوم متصل هستند. به بیان دیگر، ستون فقرات این ترکیب، از پیوندهای C-P و P-Pb تشکیل شده است و نه C-H. در حالت کلی، تنها به آن دسته از ترکیبات ملکولی که ستون فقرات (back bone) آنها، از پیوند‌های C-H تشکیل شده باشد، ملکول آلی و به سایر حالات، ملکول غیرآلی یا  معدنی گفته می‌شود. بنابراین، دو ترکیب یاد شده، از نوع معدنی محسوب می‌شوند.

شکل 6- دو نمونه از ترکیبات معدنی مورد استفاده در کاربردهای پزشکی به عنوان ضد ویروس با ترکیب شیمیایی مشابه با مواد آلی.

3- مزیت‌های مواد آلی در نانوالکترونیک

در پنجاه سال اخیر، حوزه میکروالکترونیک و نانوالکترونیک، از نیم رساناهای غیرآلی مانند سیلیکون و گالیوم آرسناید، مواد عایق مانند اکسید سیلیسیوم، و فلزاتی مانند مس و آلومینیوم، برای ساخت ادوات الکترونیکی استفاده کرده است. در دهه اخیر، تلاش‌ها برای استفاده از مواد آلی در ساخت ادوات نانوالکترونیکی آغاز گردیده و تحقیقات این حوزه، بر روی بهبود خواص نیم‌رسانایی، رسانایی، و نشر نوری مواد آلی (پلیمرها و الیگومرها) و مواد هیبریدی (کامپوزیت‌های آلی- غیرآلی) با توسعه روش‌های  جدید سنتز و تکنیک‌های خودآرایی ملکولی متمرکز شده است. هدف اصلی از توسعه نانوالکترونیک آلی، بهبود کارایی ادوات الکترونیکی و امکان تولید طیف گسترده‌ای از مواد جدید مانند پلاستیک‌ها در دماهای پایین‌تر و با قیمت تمام شده کمتر بوده است. اهداف یاد شده، امروزه از مزیت‌ها یا اولویت‌های تحقیقاتی حوزه نانوالکترونیک آلی به شمار می‌رود. لازم به ذکر است که در صنعت الکترونیک پایه سیلیکون نیز از مواد آلی استفاده می‌شد، اما نقش کلیدی برای آنها در نظر گرفته نمی‌شد. برای مثال، اکثر مواد آلی یا به عنوان الگوهای فداشونده یا فوتورزیست (Photoresist) و یا به عنوان عایق‌های غیرفعال (passive insulators) مورد استفاده قرار می‌گرفتند. بعدها با توسعه طیف وسیعی از مواد آلی با خواص نشر نور و رسانایی نسبی، امکان استفاده از این مواد به عنوان اجزای اصلی ادوات نانوالکترونیکی فراهم شد.

در کنار مزیت‌های یاد شده، یکی از اصلی‌ترین نقاط ضعف مواد آلی در حوزه‌های الکترونیکی، تحرک‌پذیری پایین حامل‌های بار و راندمان نسبتاً پایین این مواد در مقایسه با ادوات پایه سیلیکون است. جدول 1 ساختار شیمیایی و تحرک‌پذیری حامل‌های بار در برخی از مواد آلی را در مقایسه با مواد سیلیکونی غیرآلی نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، تحرک‌پذیری حامل‌های بار در مواد آلی نیم‌رسانا در بهترین حالت، مشابه با سیلیکون آمورف است و با سیلیکون کریستالی فاصله بسیار زیادی دارد. به عنوان یک مثال کاربردی، لایه‌های نازک پنتاسن امروزه برای ساخت ترانزیستورهای لایه نازک مورد استفاده در نمایشگرهای کریستال مایع به کار می‌رود. اکثر مواد یاد شده در جدول 1، در ولتاژهای بسیار بالا کار می‌کنند. بنابراین لازم است تمهیداتی برای استفاده از این مواد در ولتاژهای پایین‌تر نیز اندیشیده شود. یکی از راهکارهای پیشنهاد شده، توسعه سیستم‌های هیبریدی از مواد آلی و مواد معدنی است.
اکثر مواد آلی نیم‌رسانا، از نوع p بوده و انتقال دهنده حفره هستند تا الکترون. با این حال، مواد آلی نوع n نیز برای ساخت اتصالات p-n و مدارهای منطقی بسیار حائز اهمیت هستند. مطالعات بیشتری برای افزایش تحرک‌پذیری حامل‌های بار در مواد نانوالکترونیک آلی مورد نیاز است تا شاید بتوان با درک بهتر تزریق الکترون، ماهیت اتصال الکترودهای فلزی به مواد آلی، انتقال حامل‌های بار، اصلاح سطحی لایه‌ها، و خودآرایی ملکولی، راندمان الکتریکی ادوات پایه آلی را بهبود بخشید و آن را تا مرز راندمان سیلیکون پلی کریستال افزایش داد. اگر بشر بتواند در دهه‌های اخیر به این مهم دست یابد، شاهد توسعه مدارهای منطقی و ادوات نانوالکترونیکی بسیار ارزان قیمت و پربازده مبتنی بر مواد آلی خواهیم بود.

جدول1- ساختار شیمیایی مواد عایق و نیم رساناهای آلی و سیلیکونی و تحرک‌پذیری حامل‌های بار در آنها [2].

به عنوان یک مثال کاربردی از نقش مواد آلی در ادوات نانوالکترونیکی، شکل 7 را در نظر بگیرید. این شکل، شمایی از یک دیود نشر نوری لایه نازک (organic thin-film light-emitting diode) را نشان می‌دهد که از یک آند و کاتد فلزی تشکیل شده و مابین آنها، دو لایه مجزا از دو پلیمر آلی قرار گرفته است. با اعمال اختلاف ولتاژ خارجی بین دو لایه الکترود، جریانی از الکترون‌های تهییج شده در لایه آلی Alq3 به عنوان نیم رسانای نوع n  به وجود می‌آید. به طور مشابه، بهمنی از حفرات تهییج شده در لایه آلی NPB به عنوان یک نیم رسانای نوع p تشکیل می‌شود. به اصطلاح گفته می‌شود که لایه آلی Alq3 نقش انتقال دهنده الکترون و لایه آلی NPB نقش انتقال دهنده حفره را ایفا می‌کند. حامل‌های بار به وجود آمده می‌توانند در اثر میدان الکتریکی خارجی به سمت فصل مشترک دو لایه آلی حرکت کنند و با بازترکیب این دو نوع حامل بار، نوری با طول موج مشخص از دیود ساطع می‌شود.

شکل 7- شمایی از یک دیود نشر نوری بر پایه مواد آلی. در این دیود، دو الکترود فلزی آند و کاتد به عنوان پایانه‌های اعمال ولتاژ، و دو لایه آلی Alq3 و NPB به ترتیب به عنوان انتقال دهنده الکترون و حفره عمل می‌کنند. از بازترکیب الکترون و حفره در فصل مشترک دو لایه آلی، نور ساطع می‌شود [2].

تلاش بسیاری برای بهبود راندمان نشر نور در دیودهای آلی نشر دهنده نور (OLEDs) انجام شده است. شکل 8 این روند را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، بازده نشر نور ادوات OLEDs در 15 سال اخیر، رشد چشمگیری داشته است به طوری‌که این ادوات امروزه امکان رقابت با دیودهای سیلیکونی نشردهنده نور را دارند. لازم به ذکر است که این بازده امروزه به حدی رسیده است که شدت نور دریافتی از یک دیود آلی می‌تواند به مراتب بیشتر از لامپ‌های رشته‌ای تنگستنی (incandescent bulb) باشد.

شکل 8- روند بهبود راندمان دیودهای آلی و غیرآلی نشردهنده نور [2].

4- انواع مواد آلی مورد استفاده در نانوالکترونیک آلی

اگرچه ممکن است با توسعه حوزه نانوالکترونیک آلی، طیف جدیدی از مواد آلی به دلیل خواص الکترونیکی منحصر به فرد، مورد استفاده قرار گیرند، اما تاکنون چهار دسته کلی از مواد آلی در کاربردهای الکترونیکی به کار گرفته شده‌اند: (الف) کمپلکس‌های آلی انتقال بار؛ (ب) پلیمرهای رسانا؛ و (ج) ژل‌های رسانا؛ و (د) پلیمرهای دی الکتریک. در مقالات دیگر سایت آموزش نانو به تفصیل، به معرفی هر کدام از این مواد پرداخته شده و خواص الکترونی و کاربرد آنها در ادوات نانوالکترونیک آلی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

نتیجه­‌گیری

مقاله حاضر به دنبال ارائه تعریف مناسبی از مواد آلی برای ورود به بحث نانوالکترونیک آلی بود. برای دستیابی به این تعریف، تاریخچه توسعه مواد آلی و منابعی که این مواد از آنها تولید می‌شده‌اند مورد مطالعه قرار گرفت. گفته شد که ستون فقرات اصلی مواد آلی، پیوندهای H-C هستند و در ساختار ملکولی آنها ممکن است از یون‌های فلزی نیز استفاده شود. تاکید شد که ممکن است فرمول شیمیایی یک ترکیب خاص، مشابه با مواد آلی باشد، اما برای آنکه بتوان این ماده را به عنوان یک ماده آلی پذیرفت، باید ستون فقرات ملکول‌های آن از پیوندهای هیدروژن-کربن تشکیل شده باشد. نقاط قوت و ضعف مواد آلی برای کاربردهای نانوالکترونیکی مرور شدند و مهم‌ترین مزیت‌های مواد آلی برای استفاده در کاربردهای الکترونیکی مورد بحث و بررسی قرار گرفتند. در نهایت، چندین نمونه از مهم‌ترین کاربردهای مواد آلی در ادوات نانوالکترونیکی معرفی شدند و نقش این دسته از مواد در ساختمان دیودهای آلی نشر دهنده نور (OLEDs) و ترانزیستورهای آلی لایه نازک مورد مطالعه قرار گرفتند. تاکید شد که امروزه مواد نانوالکترونیک آلی، توان رقابت با ادوات الکترونیکی پایه سیلیکون را دارند و می‌توان با بهبود روش‌های سنتز و دستکاری ساختارهای ملکولی این مواد، راندمان آنها را بیشتر از پیش افزایش داد.


منابـــع و مراجــــع


۱ – Clayden, J., N. Greeves, S. Warren,P. Wothers. “„Organic Chemistry “, 2001.” 239.
۲ – Shaw, Jane M.,Paul F. Seidler. ganic electronics: introduction.” IBM Journal of ResearchDevelopment 45, no. 1 (2001): 3-9.
۳ – Katz, Howard E.,Jia Huang. “Thin-film organic electronic devices.” Annual Review of Materials Research 39 (2009): 71-92.
۴ – Mann, Frederick George. Practical organic chemistry. Pearson Education India, 2009.
۵ – Brütting, Wolfgang,Jörg Frischeisen. “Device Efficiency of Organic Light‐Emitting Diodes.” Physics of Organic Semiconductors, Second Edition (2012): 497-539.
۶ – Soos, Zoltan G. “Electronic structure of organic conductorssemiconductors.” J. chem. Educ 55, no. 9 (1978): 546.
۷ – McMurry, John E. ganic chemistry of low-valent titanium.” Accounts of Chemical Research 7, no. 9 (1974): 281-286.
۸ – Brütting, Wolfgang. Introduction to the physics of organic semiconductors. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا