Три главных вызова, стоящих перед современной микроэлектроникой, это использование органических материалов, миниатюризация элементов готовых устройств и минимизация влияния используемых материалов на окружающую среду.
Молодые ученые из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина совместно с коллегами из Института общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН, а также из МГУ им. М.В. Ломоносова разработали метод получения проводящих наноструктур («нанопроводов»), который позволяет решить все эти задачи. Статья опубликована в журнале Inorganic Chemistry https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.inorgchem.1c02147. Авторы используют способность органических молекул к самопроизвольной, так называемой супрамолекулярной сборке с помощью слабых межмолекулярных связей, удерживающих молекулы вместе за счет большого числа контактов. Именно этот принцип лежит в основе самосборки сложных биологических объектов: мембран, клеток, тканей.
Нанопровода были собраны из готовых супрамолекулярных блоков размером 2 нм, синтезированных из фталоцианинов - синтетических красителей циклического строения, обладающих полупроводниковыми свойствами и широко использующихся в органической электронике. К фталоцианинам добавили краун-эфирные группы (циклические молекулы-«ловушки» для катионов металлов) и соединили между собой в пары ионами редкоземельных элементов. Несмотря на сложность молекулярного строения отдельного блока, процесс получения из них нанопроводов очень прост – достаточно добавить к ним соль калия. Катионы калия связываются с краун-эфирными ловушками соседних блоков и собирают их в одномерные стопки длиной до 100 микрон. Такие нанопровода практически не имеют дефектов и проводят электрический ток в 50 раз эффективнее других известных материалов на основе фталоцианинов.
Простота метода открывает возможность для его адаптации к реальному производству новых компактных оптоэлектронных устройств. «Для того, чтобы соединять элементы электрической цепи в устройстве для органической электроники, необходимо уметь укладывать нанопровода в нужной конфигурации на поверхности кремниевого чипа», – рассказывает н.с., к.х.н. Александра Звягина, руководитель гранта РНФ для молодых ученых, в рамках которого выполнялась эта работа (грант № 19-73-00025). – «Мы обнаружили, что наши нанопровода сами выстраиваются вдоль силовых линий во внешнем электрическом поле, и за счет этого эффекта мы легко и быстро получаем пленки с нанопроводами, уложенными на поверхности в заданном направлении».
Самосборка и ориентация в электрическом поле — это не все преимущества супрамолекулярных нанопроводов по сравнению с традиционными проводящими полимерами. Сравнительная «слабость» связей между молекулами в нанопроводах становится их сильной стороной, позволяя решать одну из самых сложных проблем современной химии, связанную с предотвращением выброса микропластика в окружающую среду при утилизации полимеров. Ученые ИФХЭ РАН показали, что готовые супрамолекулярные нанопровода, устойчивые в обычных условиях работы электронных устройств, можно быстро разобрать до исходных молекул в специальном растворителе без образования побочных продуктов, которые могли бы повредить окружающей среде. Технология позволяет сохранить ценные соединения, содержащие редкоземельные металлы, в процессе утилизации отработанного чипа и использовать их снова для сборки нового устройства. Молодые исследователи уверены, что технологии, основанные на супрамолекулярной сборке, способны обеспечить будущий прогресс в области "зеленой" безотходной микроэлектроники, а получаемые с помощью этой технологии проводящие наноструктуры станут надежной альтернативой для трудно разлагаемых проводящих полимеров.
Первый автор работы, молодой научный сотрудник ИФХЭ РАН, к.х.н. Александра Звягина