my
صفحه مدارهای آلی، ارزان قیمت، منعطف و قابل چاپ هستند. اما بر خلاف صفحه مدارهای غیرآلی که تنها به سیلیکون نیاز دارند، مدارهای آلی با سطح کارایی بالا عموماً از دو ماده مختلف که باید به دقت طراحی شوند، ساخته می شوند. اخیراً پ‍ژوهشگران پلیمری را طراحی کرده اند که نقش هر دو ماده را به تنهایی ایفا می کند.
نیمه هادی های آلی تهیه شده در۲۰ سال اخیر همه دارای چند ضعف اساسی هستند. حرکت الکترون ها از میان آنها بسیار سخت و کند صورت می گیرد. همچنین مواد مورد استفاده تنها یکی از بارهای مثبت یا منفی را هدایت می کنند. در نتیجه برای ساخت یک مدار آلی لزوم بکار بردن با دقت بالای دو لایه از مواد آلی، یکی برای عبور الکترون ها و دیگری برای عبور بارهای مثبت، ساخت این مدارها را با پیچیدگی مواجه می کرد.
اما هم اکنون با داشتن پلیمرهای نیمه هادی که قادر به هدایت سریع بارهای مثبت و منفی هستند، ساخت این مدارها بسیار ساده تر و شبیه به روش ساخت مدارهای غیرآلی که تاکنون مورد استفاده قرار می گرفتند، شده است. محققان پلیمر جدید را برای تهیه ی برخی از سریعترین صفحه مدارهای آلی که تاکنون گزارش شده اند، بکار گرفته اند. این فرآیند برای سلول های خورشیدی نیز می تواند مورد استفاده واقع شود.
برای اجرای عملیات منطقی که وسایلی از قبیل کامپیوتر، تلفن همراه و سایر تجهیزات الکترونیکی را بدون مصرف مقدار زیادی انرژی به کار می اندازد، ترانزیستورها به نواحی متناوبی برای هدایت بارهای الکتریکی مثبت و منفی نیاز دارند. اما همانطور که گفته شد تاکنون شیمیدانان تنها به پلیمرهایی دست یافته اند که تنها یکی از بارهای مثبت یا منفی را هدایت می کنند.
بنابراین برای ساخت صفحه مدار از این پلیمرها، لایه هایی از آنها باید به دقت در کنار هم چیده شود. سمسون جنخه۱، پروفسور شیمی دانشگاه واشینگتن در سیاتل، معتقد است که “طراحی تجهیزات الکترونیکی با استفاده از دو ماده که هر یک بایستی با فرایندهای پیچیده ای الگو دهی شوند، منجر به از دست دادن یا کاهش مزایای مربوط به هزینه و یا سادگی ساخت این تجهیزات می شود.”
به عقیده ی او “هدف نهایی، دست یافتن به ماده ای است که بتواند هر دو ذره الکترون و حفره یا بار مثبت را منتقل کند.” این محقق و همکارانش چند سالی است که بر ساخت چنین ماده ای که پلیمر ambipolar نام دارد، کار می کنند. او همچنین اظهار داشت “این پژوهش در گذشته تا درجه ی زیادی نوعی سعی و خطا بود.” اینک او و مارک واتسون، پرفسور شیمی از دانشگاه کنتاکی در لکسینگتن، ساختارهای پلیمری موثر در این راستا را تعیین کرده اند. ماده ی جدید و کارایی آن در ژورنال مواد پیشرفته توضیح داده شده است.
پلیمر جدید از دو واحد ساختاری متناوب تشکیل شده است که یکی الکترون ها و دیگری حفره ها را هدایت می کند. البته این اولین پلیمری نیست که با این قابلیت ساخته می شود. اما تفاوت آن با پلیمرهای قبلی درسرعت به مراتب بالاتر حرکت الکترون ها وحفره ها در آن (پنج الی هشت برابر) است. این نکته از آن جهت حائز اهمیت است که سرعت مدار توسط سرعت حرکت بارها در ماده ی نیمه هادی تعیین می شود.
گروه جنخه پلیمرها را برای ساخت ترانزیستور و صفحه مدار بکار گرفته اند. آنها پلیمر را به صورت محلول درآورده، آنرا روی لایه ای طراحی شده با اتصالات الکتریکی قرار داده و سپس آنرا تحت فرآیند پوشش دهی چرخشی۲ بصورت فیلم نازکی درآورده اند. جنخه همچنین اظهار داشت که به دلیل انحلال پذیری پلیمر در آب، برای چاپ مدارها می توان از فرایند ink-jet استفاده کرد.
کارایی مدارهای ساخته شده از پلیمرهای ambipolar نظیر یا حتی برتر از کارایی مدارهای ساخته شده از دو پلیمر مجزا است.
یکی از تجهیزاتی که توسط این گروه تحقیقاتی ساخته شده است، اینورتور است. Zhenan Bao، پرفسور مهندسی شیمی از دانشگاه استانفورد، که خود در این پژوهش شرکت نکرده است، معتقد است که”اینورتورها بلوک های ساختمانی اساسی در مدارهای مجتمع هستند.”
دراین رابطه Bao افزود: “سابقاً گروه های دیگری نیز به اینورتورهایی با استفاده از پلیمرهای ambipolar دست یافته بودند، اما پلیمر ابداع شده توسط گروه جنخه دارای عملکردی با سرعت بسیار بالاتر از پلیمرهای قبلی است.”
جنخه همچنین افزود: پلیمرهای جدید می توانند درسلول های خورشیدی نیز کاربرد خوبی داشته باشند. برای تبدیل بهینه ی انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی، سلول های آلی فعلی نیاز به دوپلیمر دارند که به دقت در کنار هم قرارگرفته باشند و اگر ساختار این دو پلیمر دراین روش درست نباشد، الکترون ها جریان نخواهند یافت. اما پلیمر جدید این مشکل را مرتفع کرده است.
گام های بعدی مورد توجه این گروه پژوهشی انجام اصلاحاتی برروی پلیمر و دست یافتن به پلیمری با هدایت بیشتر از آنچه در حال حاضر بدان رسیده اند و آزمایش آن در مدارهای پیچیده تر است.
۱ Samson Jenekhe
۲ spin coating
—————————