أصبحت أجهزة الكمبيوتر العضوية أقرب من أي وقت مضى

اكتشف علماء من جامعة موسكو جزيئا يمكن أن يساعد في تطوير الأجهزة الإلكترونية القائمة على المواد العضوية

تمكن فريق من الباحثين من جامعة موسكو بالتعاون مع زملائهم من ألمانيا (معهد أبحاث البوليمرات في دريسدن) من اكتشاف جزيء يعتقدون أنه يمكن أن يفيد في تطوير الأجهزة الإلكترونية المعتمدة على المواد العضوية. وقد نشرت نتائج البحث منذ فترة طويلة في المجلة العلميةالمواد المتقدمة. ووجد الباحثون أن أحد مشتقات مادة [3]-الرادالين (ويكيبيديا)، يمكن استخدام جزيء معروف لدى العلم منذ ثلاثين عاما لإنتاج أشباه الموصلات العضوية. ويعتقد العلماء أن إنجازهم البحثي سيقدم مساهمة كبيرة في تطوير المكونات الإلكترونية العضوية، وعلى وجه الخصوص، في إنتاج الثنائيات العضوية الباعثة للضوء وعائلات جديدة من الخلايا الشمسية العضوية.

تعد المكونات الإلكترونية العضوية أو "البلاستيكية" مجالًا علميًا جديدًا نسبيًا، وقد ظهر في عالمنا منذ حوالي عشرين عامًا. الغرض من هذا المجال هو تطوير الأجهزة الإلكترونية المعتمدة على المواد العضوية. وفي الوقت نفسه، لا تزال هذه الأنواع من الأجهزة أقل كفاءة في أدائها واستقرارها مقارنة بالمكونات الإلكترونية الشائعة المعتمدة على السيليكون. على الرغم من ذلك، فإن هذا النوع له أيضًا مزايا - سطوع الشاشة، والنحافة، والمرونة، والشفافية، والأهم من ذلك - أن المكونات الإلكترونية البلاستيكية أرخص بكثير من نظيراتها المصنوعة من السيليكون. وتشمل التطبيقات الرئيسية للإلكترونيات العضوية الخلايا الشمسية، والتي ستكون أرخص بكثير من نظيراتها الشائعة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام المكونات الإلكترونية العضوية في تصميم الأجهزة العضوية التي ينبعث منها الضوء والترانزستورات المبتكرة.

الجزيء المعني هو من نوع "العامل الموصل"، وهو نوع يضاف إلى البوليمر شبه الموصل مما يزيد بشكل كبير من توصيله الكهربائي. لقد كان استخدام المواد الموصلة في مجال أشباه الموصلات غير العضوية سائداً منذ عقود، إلا أن هذا المجال أقل تطوراً من حيث الموصلات العضوية. اليوم، المواد الأكثر شيوعا هي المواد المانعة للتسرب القائمة على الفلور. بالاشتراك مع العديد من أشباه الموصلات العضوية، فإن هذه المواد العازلة قادرة على زيادة التوصيل الكهربائي بشكل كبير، ولكن ليست كل البوليمرات المستخدمة بشكل شائع اليوم مناسبة لمثل هذا التطبيق. ويوضح الباحث الرئيسي أن الباحثين قرروا بالتعاون مع زملائهم تصميم نوع جديد تمامًا من مواد المنشطات ذات الوزن الجزيئي المنخفض لصناعة أشباه الموصلات العضوية. "وفي هذه المرحلة كان من المهم جدًا اختيار جزيء لا يتوافق فقط مع مستويات الطاقة الخاصة به، ولكن الأهم من ذلك، يمكن مزجه بشكل صحيح مع البوليمر، بحيث لا يؤدي الاتصال بينهما إلى إنشاء مجمعات منفصلة تؤدي إلى فقدان نشاط البوليمر النهائي." تشمل المساهمة الرئيسية لعلماء المختبر كجزء من هذا البحث دراسة فيزياء الحالات الانتقالية، وفيزياء خلط هذين المكونين، أي إيجاد المادة الأكثر ملاءمة من حيث توافقها مع البوليمر.
وقد وجد الباحثون مثل هذه المادة - وهي نتيجة للمادة [3] - الراديالين. وهو جزيء مسطح صغير تتحد فيه ذرات الكربون لتكوين هيكل مثلث. من بين خصائصها الأخرى، تتمتع هذه المادة بمستوى طاقة LUMO (أدنى مدار جزيئي غير مشغول). وينص معنى هذه الخاصية على أنه فقط مع القليل من المساعدة النشطة، يمكن للإلكترونات أن تترك البوليمر شبه الموصل، وتصبح شحنات حرة تزيد من موصلية المادة المتصلبة. وهذا يعني أن هذه المادة ([3]-الرادالين) تصبح أقوى مادة عازلة معروفة اليوم في مجال أشباه الموصلات العضوية.

وتظهر التجارب التي أجريت على المادة، والتي تم التحقق منها بنتائج حسابات ميكانيكا الكم، أن المادة تمتزج جيدًا مع البوليمرات شبه الموصلة، وتمكن من زيادة التوصيل الكهربائي للبوليمر عشرات أو حتى مئات المرات. اتضح أنه عندما يصل تركيز المادة المشابهة في البوليمر إلى 50%، لا يحدث أي انفصال، ولكن يتغير التركيب البلوري للبوليمر بشكل ملحوظ. وهذا يعني أن جزيئات المادة العازلة تندمج داخل الشبكة البلورية للبوليمر وبالتالي تشكل ما يسمى بالبلورة المشتركة. يعد هذا التكوين للمادة النهائية أحد الأسباب الرئيسية للكفاءة الكبيرة للمركب الجديد.
ويوضح الباحث الرئيسي أن المركب الجديد وتاريخه ينتمي إلى عائلة من المواد العضوية الموصلة للكهرباء. "من المعروف أن محولات الفلور تعمل على جذب الإلكترونات القوية من الجزء المركزي للجزيء، وهي ميزة تزيد من الموصلية الإجمالية للبوليمر المطعم. في الدراسة الحالية، يختلف التركيب الكيميائي للحشو تمامًا، بل إنه في الواقع أفضل. "إن معدل الخلط الممتاز لمادة الحجب الخاصة بنا مع البوليمر هو مصدر النشاط الممتاز لمادتنا النهائية. هذه النتيجة يمكن أن تمهد الطريق لإنتاج خلايا شمسية جديدة وترانزستورات ذات خصائص محسنة."