Регистрация / Вход
Прислать материал

Перспективные акцепторные материалы для органической электроники на базе пирамидализованных полиенов и фуллероидов

Докладчик: Сидоров Лев Николаевич

Должность: профессор, профессор

Цель проекта:
Проект направлен на создание научно-технического задела для разработки новых материалов, перспективных для использования в качестве фотоактивных компонентов электронных устройств на органической основе, обеспечивающих создание новой продукции инженерного и бытового назначения. Целью проекта является разработка направленных методов синтеза и определение электронных и фотофизических свойств новых углеродных материалов на основе фуллероида C60(CF2), бисфероидных производных фуллерена и пирамидализованных полиенов, перспективных в качестве электроноакцепторных компонентов для легирования органических полупроводников с дырочным типом проводимости и создания фотовольтаических преобразователей.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках выполнения проекта запланировано создание новых акцепторных материалов на основе углеродных наноструктур, перспективных для легирования полупроводниковых полимеров. Для этого требуется провести разработку новых стратегий синтеза пирамидализованных полиенов, осуществить синтез ряда представительных соединений и провести исследование их электрохимических и фотофизических свойств. В ходе работы планируется установить взаимосвязь между особенностями молекулярного и электронного строения объектов исследования и ключевыми характеристиками, определяющими эффективность фотовольтаических устройств (электроноакцепторность, напряжение холостого хода, плотность тока короткого замыкания, фактор заполнения). В результате работы планируется достичь характеристик, сопоставимых с коммерческим препаратом на основе фуллерена PCBM, который широко распространен для создания фотовольтаических устройств на органической основе. Уровень экспериментального исполнения и интерпретация полученных данных будут соответствовать мировым стандартам качества, предъявляемым к научным исследованиям.
Известные в литературе стратегии синтеза пирамидализованных полиенов заключаются в флеш-пиролизе органических прекурсоров и характеризуются сравнительно низкими выходами. В проекте будет разработана методика высокотемпературного дегидрофторирования органических прекурсоров на оксиде алюминия. Для функционализации фуллероидов будут впервые разработаны методы селективного алкилирования, включающие генерацию in situ карбанионов фуллероидов с последующей обработкой алкилгалогенидом. Бисферные производные фуллеренов будут синтезированы по методике, разработанной ранее участниками коллектива проекта. Пробоподготовка и ключевые стадии исследований чувствительных к кислороду воздуха объектов будут проведены с использованием перчаточного бокса в инертной атмосфере.
Выбор перспективных для фотофизических исследований объектов будет осуществлен на основании результатов электрохимических экспериментов, где будут установлены химическая и электрохимическая обратимость переноса электрона, потенциал восстановления исследуемых соединений. Прикладной потенциал впервые полученных углеродных наноструктур будет установлен на основании фотофизических экспериментов, где планируется определить основные параметры эффективности их работы (напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, фактор заполнения, КПД).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Возможность создания на основе пирамидализованных полиенов органических полупроводниковых материалов с электронным типом проводимости, а также возможность тонкой настройки положения зоны проводимости и ширины запрещенной зоны путем выбора топологии углеродного каркаса делают данный класс объектов перспективным для органической электроники. На сегодняшний день данная область является точкой активного развития на стыке химии, физики и нанотехнологий, дающая новый вектор развития методологии создания наноструктурированных углеродных материалов, перспективных для электроники, и является крайне важной для развития отечественной науки и техники.
Разработанные в результате выполнения проекта новые стратегии синтеза пирамидализованных полиенов открывают возможность получения новых углеродных наноструктур с заданной топологией, которая предопределяет их химические и физические свойства. В частности, крайне перспективным является использование подобных углеродных наноструктур для синтеза графеноподобных нанопоясов и селективного выращивания углеродных нанотрубок заданной хиральности, а, значит и с требуемыми полупроводниковыми характеристиками. Последний факт крайне важен для проектирования новых полупроводниковых устройств на углеродной основе с улучшенными характеристиками.
Созданные в проекте акцепторные материалы на основе углеродных наноструктур могут найти применение в области органической электроники при создании устройств преобразования солнечной энергии в электрическую, светоизлучающих диодов, а также полевых транзисторов. Подобные устройства отличает дешевизна процесса производства по сравнению с технологиями создания кремниевых электронных устройств, высокая экологичность, биоразлагаемость, а также возможность создания прозрачных, пластичных электронных устройств. Практическое применение синтезированных материалов предполагает создание на их основе смесей с полупроводниковыми полимерами (в частности с поли(3-гексилтиофеном), которые используются в качестве активных слоев в фотовольтаических устройствах.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения проекта были разработаны стратегии синтеза новых акцепторных материалов на основе углеродных наноструктур, перспективные для легирования полупроводниковых полимеров. В качестве объекта исследования были выбраны пирамидализованные полиены, особенности молекулярного и электронного строения которых обеспечивают повышенные электроноакцепторные свойства и n-тип проводимости. Разработанные методы синтеза позволяют синтезировать широкий класс пирамидализованных полиенов, электронные свойства которых возможно прогнозировать с привлечением квантово-химических расчетов. На основании теоретического моделирования и экспериментального исследования методом циклической вольтамперометрии синтезированных соединений были выявлены перспективные объекты для фотовольтаических приложений. Ключевыми параметрами являлись обратимость электрохимического восстановления и достижение оптимальных величин потенциала восстановления (-1.1 В отн. Fc(+)/Fc(0)). Было показано, что потенциал восстановления может быть настроен до требуемой величины присоединением алкильных радикалов к фуллероидным структурам. В ходе фотофизических исследований была выявлена взаимосвязь между строением исследуемых соединений и ключевыми характеристиками, определяющими КПД фотовольтаических устройств. Показано, что использование высокорастворимых бисфероидных производных фуллеренов и введение сложноэфирных группировок, позволяет увеличить значение плотности фотогенерируемого тока и морфологию фотоактивного слоя. В результате выполнения проекты были достигнуты рекордные показатели КПД для бисфероидных производных фуллеренов, а КПД фуллероидных производных приближается к коммерчески доступному производному фуллерена PCBM, наиболее сегодня распространенному для создания фотовольтаических устройств на органической основе.