Техника - молодёжи 1969-01, страница 5

органические полупроводники

Т. СЕМЕНОВА, инженер-химик

ЭЛЕКТРОМЕТАМОРФОЗЫ УГЛЕРОДНЫХ ЦЕПОЧЕК

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Всем знакомы пластмассовые ручки настройки, выключатели — сама природа, казалось, подарила радиоинженерам ценное свойство полимерных молекул, многократно развитое органической химией,— изолировать и изолировать. Пластмасса и металл — еще недавно два антипода электротехники, электроники. Однако сейчас можно в принципе говорить и о проводах из пластмасс. Антиподы оказались не такими уж антиподами.

Интересно, что впервые полупроводниковые свойства полимеров были открыты в 1906 году — на несколько лет раньше создания усилительной электронной лампы, на десятки лет раньше, чем появился первый транзистор. У радиотехники уже в то время имелась возможность, хотя и несколько абстрактная, использовать полимеры. И кто знает, быть может, несколько удачных открытий, разработок, изобретений смогли бы существенно изменить пути развития электроники. Ведь даже в то время техника органического синтеза позволяла получать полимеры-полупроводники. К сожалению, обычной цепной реакции «техническая потребность — исследования» в то время не произошло.

В 1948 году английский ученый Элей, исследуя фталоцианин, нашел, что он пропускает электроны. Вскоре были открыты и другие «электрические» полимеры. Но примерно в те же годы на арене появились транзисторы, вскоре потеснившие лампы и оказавшиеся незаменимыми во многих случаях из-за очень ценных качеств — высокой надежности и малого веса. Полимерам опять не повезло, лучшие исследовательские силы многих стран мира — физики, химики, радиоспециалисты — были брошены на разработку и исследование кремниевых и германиевых приборов. Радиоэлектроника этих лет получила разнообррзиые типы малогабаритных надежных приборов, утоливших технический голод.

Между тем химики продолжали исследования полимерных полупроводников со все более нараставшими темпами Много сделали для развития новой отрасли органической химии советские академики А. Топчиев, В. Каргин и другие ученые. Несколько лет назад были получены органические пленки со свойствами «р—п»-перехода. «Р—п»-пере-ход — это граница раздела в любом транзисторе, которая управляет силой

тока в нем. Образно говоря, это ключ, который может открывать и закрывать дверь, через которую проходят электроны. Слабенький сигнал потому и усиливается в полупроводниковом триоде, что «р—п»-переход то приоткрывает, то отворяет эту дверь настежь; соответственно изменяется, колеблется поток электронов, проходящих через нее, — увеличенная, усиленная копия сигнала. «Р—п»-переход, осуществленный советскими специалистами И. Кустановичем, И. Паталахом, Л. Полаком, — десятимикронные пленки полиакрилонитриль-ной смолы, обработанной в атмосфере раскаленного азота, а потом — в глубоком вакууме. Но техника не стоит на месте. Методы совершенствуются, и не цо дням, а по часам.

Настало, наконец, время, когда (по аналогии с известным законом) потенциальная энергия, накопленная химической наукой, преобразуется специалистами в кинетическую энергию инженерной практики.

ТЫСЯЧА МОСТОВ

В металлическом проводнике, соединенном двумя концами с электрической батарейкой, бойко бегут электроны. Загорается электрическая лампочка — электроны нагревают ее нить. Заменим мысленно проволоку леской — лампочка (согласно житейскому опыту) не загорится, очень уж трудно протиснуться электронам сквозь лабиринт полимерных цепочек. Сопротивление полимерных полупроводников от 10~² до 10¹² ом/см. Иначе говоря, сантиметровый столбик полимера может иметь сопротивление и в одну сотую ома и в тысячу миллиардов ом — ив том и в другом случае он будет считаться полупроводником. Так что, вообще говоря, даже провода из полупроводящей пластмассы могут пропускать электрический ток довольно свободно, и исход нашего эксперимента не совсем ясен. Нужно знать, из чего изготовлена леска — из какой именно пластмассы.

При всем разнообразии полимерных полупроводников их роднит одно: наличие сопряженных связей. Связи изображаются в структурных формулах веществ черточками. Тройная связь — три черточки, двойная — две черточки, простая — одна черточка. У сопряженных связей количество черточек чередуется.

Первый большой класс полимеров-по-лупроводников — полимеры с ациклической системой сопряжения. Примером

может служить полиацетилен Его структурная формула очень проста, она напоминает незатейливые бусы из «спаренных» атомов углерода и водорода, соединенных то одной, то двумя ниточками-связями (сопряженная связь!):

-СН=СН-СН=СН-СН=СН-СН=

К этому же классу относятся поли нитрилы (R — радикал):

-C=N-C=N-C=N-C=N-C=

■ I I I |

R R R R R

И тут опять — чередование простых и двойных связей — цепь сопряжения.

Ко второму типу относятся полимеры, молекулы которых содержат ароматические ядра, связанные между собой:

Полимеры с металлоциклами в цепи молекулы — третий класс:

И наконец, к четвертой группе относятся полимеры (в нашем примере — полнин) с сопряженными тройными связями:

НС = с-(-с = с-)_п-с=сн

Органические полупроводники отличаются друг от друга не только химическим составом. Состав и строение молекул обуславливают различия в электрической проводимости, прочности, эластичности.

Особые свойства полупроводников (всех четырех классов) объясняются сопряженными связями, а точнее — высокой подвижностью так называемых л-электронов.

В цепочке полимера в строгом порядке выстроились атомы углерода и водорода. Но удалите с одной стороны цепочки водородные атомы, и освободившиеся электроны оборванных связей начинают вращаться вокруг атомов углерода по орбитам, напоминающим восьмерки. Электрон — не шарик и не мячик, это маленькое облачко, размазанное по орбите, облачко, охватывающее ядро атома. Так учит квантовая механика. Электронные облака в виде восьмерок проникают друг в друга, они, выражаясь языком метеорологии, образуют сплошной облачный покров Между я-электронами нет разрывов, барьеров— значит, они могут свободно перемещаться, меняться местами, двигаться туда, куда их гонит электрическое поле (см вкладку).

3