Novi materiali omogočajo nove elektronske naprave
Današnjega življenja si ne moremo več predstavljati brez elektronskih naprav, kot so na primer pametni telefoni, senzorji v avtomobilih, računalniki, diagnostične medicinske naprave ... V večini primerov današnja elektronika temelji na siliciju, ki pa ni edini material, primeren za izdelavo elektronskih elementov. Raziskovalna radovednost nas v Laboratoriju za fiziko organskih snovi na Univerzi v Novi Gorici žene, da spoznavamo elektronske lastnosti novih materialov, ki kažejo možnost za uporabo v elektroniki in novih elektronskih napravah.
Vse elektronske naprave so sestavljene iz elektronskih elementov, osnovnih gradnikov, ki so povezani med seboj, da lahko naprava opravlja določeno funkcijo, kot je npr. prikaz posnetkov, zaznavanje razdalje, glukoze, prenos zvoka, sporočil itd. V osnovi so ti elektronski elementi narejeni iz materialov, ki se npr. odzivajo na spremembo temperature, svetlobe, glukoze, zvoka ali svetijo, grejejo, vibrirajo. V Laboratoriju za fiziko organskih snovi na Univerzi v Novi Gorici se skupina znanstvenikov posveča posebnim materialom, ki so primerni za uporabo v elektronskih elementih in imajo velik potencial, da bodo v prihodnosti prišli v vsakdanjo uporabo.
Novi materiali so organski
Skupna lastnost teh novih materialov je ta, da so organski - v osnovi so ti materiali zgrajeni iz ogljika. Atom ogljika je lažji sorodnik silicija. Ogljik se v naravi veže v obliki diamanta, grafita ali oglja in saj. In prav ta raznolikost ogljika, v mislih imamo kemijsko vezavo med atomi, omogoča, da se v naravi nahaja nešteto organskih snovi, ki imajo različne lastnosti. Področju elektronike, ki izkorišča prednosti organskih snovi v elektronskih elementih, pravimo organska elektronika.
Laboratorij je ustanovil prof. dr. Gvido Bratina leta 1997. V začetnih letih in s skromno raziskovalno opremo so bile raziskave posvečene polprevodniškim lastnostim organskih snovi, ki so oddajale svetlobo. V tistih letih se je omenjeno področje svetlečih elektronskih elementov iz organskih snovi bliskovito razvijalo. Danes podobni organski polprevodniki nastopajo v organskih svetlečih diodah (angl. organic light-emitting diodes - OLED), ki so osnovni gradniki skoraj vseh modernih zaslonov. Kasneje, s pridobitvijo modernejše raziskovalne opreme, smo področje raziskav razširili na organske snovi, ki omogočajo izdelavo elektronskih stikal - v žargonu tranzistorjev. Pri teh raziskavah smo odkrili zanimiv pojav, ki nastopi, ko v aktivno plast elektronskega stikala vmešamo fotokromatske organske molekule. Te spreminjajo svojo obliko in posledično tudi elektronske lastnosti pod vplivom svetlobe. Natančneje, če fotokromatsko molekulo osvetlimo z ultravijolično svetlobo, se vezi med določenimi atomi molekule razklenejo in nastane razklenjena molekula. Če tako molekulo osvetlimo z zeleno svetlobo, potem se atomi v molekuli spet povežejo in molekula se vrne v prvotno obliko. Zanimivo je to, da če je aktivna plast elektronskega stikala predvsem iz organskega polprevodnika, potem fotokromatske molekule vplivajo na aktivno plast le, če so razklenjene.
Na ta način, z mešanjem fotokromatskih molekul in organskega polprevodnika, smo pripravili elektronsko stikalo, ki ga lahko “zaklenemo” z ultravijolično svetlobo in “odklenemo” z zeleno svetlobo. Tak hibridni material omogoča, da naredimo nove elektronske elemente, ki jih v svetu elektronike še ni. Iz teh raziskav so nastala upogljiva elektronska stikala z možnostjo zaklepanja, spominski element z 256 spominskimi stanji in drugi novi elektronski elementi, ko smo v aktivno plast vključili še piezoelektrične materiale. Trend nadaljnjih raziskav je v zadnjih desetih letih potekal v smeri hitrejših elektronskih elementov.
Posnemanje živčnega sistema
Da bi dosegli hitrejši odziv, smo zmanjševali debelino aktivne plasti. Tako smo npr. sodelovali pri študiji organskega fotodetektorja, ki je bil pripravljen iz nekaj deset nanometrov debelih nanožic dveh različnih organskih molekul. Eksperimentalno smo dokazali, da je odziv takega fotodetektorja le nekaj nanosekund. Tako hiter odziv, skoraj v gigaherčnemu območju, je izjemen uspeh za organske elektronske komponente. Poleg hitrega odziva smo odkrili, da ima senzor tudi izredni dinamični razpon, saj je razmerje med signalom in motnjami kar sedem velikostnih razredov. Tako široko dinamično območje je podobno dinamičnemu območju paličnic in čepnic v človeškem očesu, ki omogoča, da hkrati vidimo močno in šibko svetlobo, kot se zgodi npr. pri vožnji proti soncu. Tako občutljivost smo dosegli s kombinacijo hitrega odziva nanožic, ki se dopolnjuje z visoko občutljivostjo organskih molekul na vidno svetlobo. Občutljivost teh novih materialov na svetlobo izkoriščamo pri raziskavah novih organskih sončnih celic, ki temeljijo na hibridnih mešanicah organskih molekul in anorganskih perovskitov.
Organske molekule z veliko kvantno učinkovitostjo ujamejo svetlobo in jo pretvorijo v električni tok, ki se preko porozne perovskitne mreže pretaka iz sončne celice. S tem se močno zmanjša verjetnost izgube energije - da se foto-vzbujeni električni tok povrne v organsko molekulo in energija se izgubi kot toplota.
V Laboratoriju za fiziko organskih snovi na Univerzi v Novi Gorici raziskujemo dinamiko absorbcije svetlobe, vzbujanja električnega toka in potovanje fotovzbujenih nosilcev naboja izven organskih sončnih celic. Dodatna zanimiva lastnost organskih polprevodnikov je tudi posnemanje živčnega sistema, ki v resnici izhaja iz relativno nizke prevodnosti električnega naboja po določenih organskih polprevodnikih. Zaradi njihove “mehke” narave, dodatni naboj ukrivi in deformira strukturo organskih molekul. Posledično postane material bolj prevoden. Ta pojav si lahko predstavljamo kot hojo po svežem snegu, ki je relativno težavna, dokler steza ni zgažena. Organske molekule, ki so podvržene takim spremembam, s pridom uporabljamo v raziskavah neuromorfnih elektronskih elementov, ki posnemajo delovanje živčnega sistema, od receptorjev svetlobe in dotika, do sinaptičnih pretvornikov signala.
Raziskovalna skupina v Laboratoriju za fiziko organskih snovi na Univerzi v Novi Gorici je vpeta v mednarodno raziskovalno skupnost, ki se posveča raziskavam organskih polprevodnikov. V svoje vrste z veseljem sprejme nove sodelavce. Pa tudi radovednih oči se ne branimo, zato ob predhodnem dogovoru rade volje predstavimo naše raziskovalne laboratorije, ki se nahajajo v univerzitetnem središču Univerze v Novi Gorici, v Ajdovščini.
