Polymerní polovodiče

V současné elektronice se polymery uplatňují především jako konstrukční a obalové materiály. Mají dobré mechanické vlastnosti, jsou lehké a snadno zpracovatelné, mají nízké výrobní náklady. Z hlediska elektrických vlastností jsou to ale většinou izolanty. Informovanější čtenář si možná vzpomene, že se elektronické součástky musí dávat do speciálních tmavších plastových sáčků, které zabraňují vzniku statického elektrického náboje, a že polymerní fólie se nacházejí v kondenzátorech. Zde už musí mít polymer nějaké specifické elektrické vlastnosti: u antistatického obalového materiálu musí být schopen odvést statický elektrický náboj, tedy musí mít určitou minimální elektrickou vodivost, naopak u kondenzátorů musí mít vysoký specifický odpor, aby byly ztráty kondenzátoru co nejmenší, a navíc musí mít vysokou hodnotu elektrické permitivity pro dosažení maximální kapacity kondenzátoru. Oblast materiálů pro aktivní součástky, tedy např. diody, tranzistory, mikroprocesory, které dokážou usměrnit elektrický proud, zesílit nebo jinak zpracovat signál, převést elektrickou energii na energii mechanickou, akustickou, světelnou či naopak, byla dosud vyhrazena anorganickým materiálům, zejména křemíku.

Elektronika založená na součástkách z anorganických materiálů dosahuje sice vynikajících parametrů, má ale i některá omezení. Výroba anorganických polovodičů je především energeticky velmi náročná – vyrábějí se většinou z taveniny a pro dosažení požadovaných elektrických parametrů, zejména dobré pohyblivosti nosičů náboje a nízké koncentrace záchytných i rekombinačních center, se musí čistit, což je zase tepelný proces s vysokou spotřebou energie. S klasickou elektronikou se také dostaneme do potíží, pokud požadujeme nějaké velkoplošné aplikace, které se navíc mají přizpůsobit tvaru objektu, např. lehké velkoplošné obrazovky, elektronické obvody na obalových materiálech, textilu či na povrchu lidského těla, solární panely na fasádách budov. Pro takové aplikace musí být elektronika levná, lehká a flexibilní, aby se přizpůsobila i nerovnému podkladu.

Organické materiály v elektronice

O použití organických materiálů pro aktivní funkce v elektronice se začalo uvažovat již v šedesátých letech minulého století. Až v posledním desetiletí se ale podařilo vyvinout materiály, které mají elektrické parametry i stabilitu na takové úrovni, že je lze použít ve spotřební elektronice.

Když dnes nahlédneme do reklamního letáku obchodu s elektronikou, můžeme se běžně setkat s výrazem „OLED displej“. Exoticky znějící slovo „OLED“ je zkratka anglického pojmu „organic light emitting diod“, tedy organické svítivé diody. Tím, co emituje světlo, je polymer či nízkomolekulární organický materiál se speciální chemickou strukturou. Firma Samsung ve svém mobilu Galaxy, který uvedla na trh v loňském roce, používá displej typu AMOLED, tedy OLED displej s aktivní matricí (active matrix organic light emitting diod), ve kterém tvoří organické molekuly navíc i elektronické spínací prvky pod každým svítícím pixelem. Tento displej je tenký, poskytuje velmi ostrý obraz a je dobře čitelný i na přímém slunečním světle.

V populární literatuře, dokonce i v běžném tisku se lze stále častěji setkat s pojmy inteligentní nebo chytrá okna, chytrý textil, inteligentní obaly, elektronický nos, polymerní aktuátory, převádějící elektrickou energii na mechanickou, nebo polymerní solární články. Plastová elektronika nebo logika tak označuje logické elektronické obvody vyráběné z polymerních materiálů. „Chytrost“ obalu, textilu nebo okna znamená, že má v sobě integrovány nějaké funkce: obal například sleduje trvanlivost a nezávadnost produktu a při průchodu pokladnou se sám nahlásí a zaúčtuje, textil v sobě obsahuje senzory, které provádějí biochemickou analýzu a samy nahlásí případné problémy, elektronický nos reaguje na různé pachy a vůně, chytrá okna se dokážou zbarvit v závislosti na intenzitě slunečního světla.

Představy o masové, levné a především energeticky nenáročné výrobě spotřební elektroniky jsou hnací silou dalšího výzkumu a vývoje v této oblasti. Ale nejen to. Obrovská chemická a strukturní variabilita organických materiálů umožňuje „ušít“ polymer s přesně požadovanými či zcela novými funkčními vlastnostmi, například prostým navázáním bočních skupin či záměnou atomu. Metodami organické chemie a biochemie lze také připravit molekuly, jejichž optoelektronické funkce jsou citlivé na různé polutanty, charakteristické metabolity či protilátky. Často přímo hovoříme o „chemickém krejčovství“ (chemical tailoring), tedy o chemických syntetických metodách umožňujících ušít molekulu přímo na míru požadované aplikaci.

Polymer jako polovodič

Pro aktivní funkce v elektronice potřebujeme polymery obsahující elektrony, které se mohou po přiložení elektrického pole pohybovat. Tuto vlastnost mají polymery s π-konjugovaným řetězcem, ve kterém se střídají jednoduché a dvojné vazby. Látky podobného typu už připravila dávno sama příroda. Jednoduchou π-konjugovanou molekulou je například β-karoten.

Pánové J. McGinness, P. Corry a P. Proctor z Houstonu studovali jinou biologicky významnou molekulu melanin, jejíž chemická struktura v sobě obsahuje π-konjugované sekvence. Všimli si, že melanin má na organický materiál poměrně vysokou elektrickou vodivost okolo 10^–2 S·m^–1, přičemž tato vodivost je elektronového (a nikoliv iontového) původu. Především ale zjistili, že při aplikaci napětí 80 V na vrstvu tlustou desetinu mm se vodivost zvýší až na 1 S·m^–1 a toto zvýšení je vratné. Molekula melaninu se tedy chová jako bistabilní spínač řízený přiloženým napětím. Svůj objev publikovali v časopise Science již v roce 1974, ale tehdy nevzbudili velkou pozornost. Autory může těšit alespoň to, že jejich první organická elektronická součástka je dnes vystavena v expozici historie elektroniky Smithsonova Národního přírodovědeckého muzea ve Washingtonu.

Samotné konjugované polymery jsou však nerozpustné, což ztěžuje možnosti jejich aplikace. Zde nastupují možnosti organické chemie: π-konjugovaný řetězec lze nepřebernými způsoby chemicky modifikovat, například chemickým navázáním bočních skupin nebo chemickou modifikací polymerního řetězce. Navážeme-li na nerozpustný π-konjugovaný řetězec polythiofenu hexylovou skupinu, dosáhneme jeho rozpustnosti v organických rozpouštědlech. Z polymeru lze pak připravit inkoust, ze kterého lze tisknout elektronické komponenty běžnou inkoustovou tiskárnou nebo sítotiskem.

Byly již vyvinuty polymerní polovodivé inkousty, ze kterých lze tisknout na nosnou plastovou fólii běžnými inkoustovými tiskárnami funkční elektrické obvody i svítivé body OLED displejů. Díky své flexibilitě bude možno integrovat elektronické komponenty do textilních vláken a vyrobit tak fotovoltaický textil, z něhož lze pak ušít třeba stan. S takovou myšlenkou již přišla firma Konarka ve svém solárním článku Power Fiber^TM. Závislosti elektrické vodivosti na obsahu různých příměsí lze využít v elektrických senzorech.