مواد نانوالکترونیک آلی 1

1- مقدمه

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.

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.

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.

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

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.

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.

3- مزیت‌های مواد آلی در نانوالکترونیک

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.

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.

4- انواع مواد آلی مورد استفاده در نانوالکترونیک آلی

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.