Уже более чем 250 лет ученые, начиная с Б.Франклина, пытаются разобраться в природе электричества, чтобы затем использовать эти знания в практических целях. Казалось бы, про электрический ток в металлах и полупроводниках известно все, но вот с помощью химиков и физхимиков создаются новые вещества (органические металлы, органические полупроводники), в которых электроны движутся настолько непривычно, по сравнению с обычными металлами и полупроводниками, что у новых веществ появляются «аномальные» температурные зависимости сопротивления и другие необычные электронно-оптические свойства.
Возникает искушение заняться дизайном новых материалов и для начала улучшить характеристики устройств на основе неорганических металлов и полупроводников. Но сначала нужно было понять, как движется электрон в материале, состоящем из молекул, ибо сегодня наиболее перспективны вещества, состоящие из полимерных молекул со сплошным сопряжением в основной цепи. Такие полимеры называют также проводящими полимерами из-за их способности – при введении в материал молекул-добавок или при облучении светом – увеличивать многократно свою электропроводность. В результате, если подать на пленки из проводящих полимеров напряжение, они светятся и, наоборот, на свету проводят электрический ток лучше, чем в темноте.
В таких пленках атомы полимерной цепи, связанные сопряженными связями, составляют очень большую молекулу. И это служит основой их многих необычных свойств. Как установили ученые из Института биохимической физики РАН им. Эммануэля, электрон в такой пленке воспринимает большую молекулу как единый объект: он может придти на эту молекулу или покинуть ее, но не способен про ней перемещаться. Причина в том, что электрон и полимерная цепь представляют собой квантовые объекты. Поэтому широко распространенное в научных кругах мнение о том, что при своем движении электроны пробегает по цепи, перепрыгивает на другую цепь, бегут по ней и так далее, совершенно неверно. На самом деле, ток возникает только от перескоков электронов между молекулами. А так как в любом полимере имеются дефекты, которые прерывают сопряжение в одной цепи, то вместо каждой очень длинной цепи в пленке фактически функционирует много довольно длинных, около четырех нанометров, сопряженных фрагментов. Осознание того факта, что пленка проводящего полимера -- трехмерная анизотропная молекулярная система, в которой за проводимость отвечают квантовые скачки электронов между молекулами (сопряженными фрагментами), позволило а разработать осмысленные модели транспорта электронов в подобных системах. Это выдвинуло группу ученых из ИБХ РАН в число активных участников мировой науки в области полимерных нанокомпозитов. Идея показалась чрезвычайно интересной и перспективной экспертам двух фондов – РФФИ и МНТЦ. Их финансовая поддержка помогает ученым в проведении работ по изучению свойств полимерных нанокомпозитов на основе проводящих полимеров.
В качестве таких нанокомпозитов рассмотрены пленки проводящих полимеров с углеродными нанотрубками(УНТ) -- свернутыми в крошечные рулоны или трубки слои графита. Использование УНТ для модификации свойств полимеров очень привлекательно: они стабильны и по сравнению с другими веществами их достаточно ввести в полимер в значительно меньшем количестве. Получается полимерный нанокомпозит из смеси сопряженных фрагментов полимерных цепей и УНТ, то есть молекулярное вещество из больших молекул двух типов. При этом трубки и фрагменты обязательно должны соприкасаться между собой, чтобы перескок электрона был эффективен.
Каждая УНТ, как и сопряженный фрагмент, в электронных процессах ведет себя как одно целое, и ни о каком «движении» электрона по трубке, или о токе в трубке, не может идти речи: существуют только перескоки электронов между соседними УНТ, а равно и сопряженными фрагментами полимерных цепей, которые и обеспечивают ток в нанокомпозите. Ученые из Института биохимической физики РАН начали исследовать влияние УНТ на свойства проводящих полимеров при возбуждении нанокомпозита светом. Первые результаты исследований кажутся весьма перспективными. Выглядят эти результаты так.
Сначала по специально разработанной методике так синтезировали полимер, чтобы и следа катализатора в нем не осталось – тот получить его помогает, а вот свойства портит. Затем растворили полимер и УНТ, смешали оба растовора и полученную смесь вылили на стеклянную подложку с предварительно нанесенным слоем проводника. Высушили и напылили сверху слой алюминия (второй электрод). Получилась структура «сэндвич» с тонкой, доли микрона пленкой полимерного нанокомпозита между двумя электродами. Аналогичным образом были приготовлены образцы с чистым полимером, без примеси нанотрубок.
Затем на электроды подавали напряжение, а на пленку через стекло светили лучом импульсного лазера. Оказалось, что даже один объемный процент нанотрубок в несколько раз увеличивает фототок от электронов и значительно ускоряются релаксационные процессы. Способность влиять на скорости затухания импульсной проводимости важна при изготовлении веществ, которые работают как оптические затворы. Варьируя растворитель, можно влиять на трехмерную пространственную структуру, которую образуют УНТ и сопряженные фрагменты полимерных цепей.
«Пока наша работа далека от практического применения, да мы и не ставили такой задачи на данном этапе, - говорит один из авторов доктор физико-математических наук Татьяна Журавлева. - Мы просто увеличили знания о подобных системах. Но эти знания, безусловно, приближают нас и к пластиковым микросхемам, отдельные элементы которых можно будет делать проще и дешевле, чем современные микросхемы на основе кремниевых структур. И к светодиодам из пластика. И даже к пластиковой солнечной батарее. Это все впереди. Но уже чуть ближе, чем раньше».