Электронный нос: в России создали сверхчуткие транзисторные газоанализаторы
Ученые Новосибирского института органической химии имени Ворожцова Сибирского отделения РАН, Института синтетических полимерных материалов имени Ениколопова РАН и Московского государственного университета имени Ломоносова синтезировали органические полупроводники на основе диазафлуорена (ароматического азотсодержащего углеводорода с формулой C11H6N2O. На открытом воздухе они показали высокую стабильность в роли активного слоя транзисторов с n-каналами. Также материал проявил себя как селективный сенсор сероводорода. Работа опубликована изданием ACS Applied Materials & Interfaces.
Органические полупроводники — гибкая и недорогая альтернатива устройствам на базе кремния. Они используются в мобильных медицинских сенсорах, гибких дисплеях, «умной» упаковке и т.д. Камнем преткновения оставалось создание полупроводников, способных проводить электроны на воздухе и при этом не окисляться. Это касается как n-, так и p-типов проводимости.
Авторам удалось создать материал, молекулы которого сочетали три ключевых свойства:
- Низкий уровень граничных орбиталей, отвечающих за перенос электронов;
- Невысокий дипольный момент, что минимизирует ловушки заряда;
- Чувствительность к целевым газам, в частности, к H2S.
Производные диазафлуорена оказались идеальными кандидатами для применения в органической электронике.
Серия новых веществ с устойчивой электроноакцепторной архитектурой была синтезирована на базе 4,5–диазафлуорена. Структура молекулы этого соединения включает два атома азота, которые обеспечивают эффективный перенос отрицательных зарядов. Ввод атомов азота в систему существенно снизил энергетический уровень молекул и обеспечил одновременно высокую электронную подвижность и стабильность при контакте с кислородом воздуха.
Синтез производных диазафлуорена с разными донорными и акцепторными участками позволил настраивать полезные свойства полупроводников. Оптимальное качество проводимости продемонстрировало соединение с дицианометилиденовым фрагментом.
Тонкопленочные монокристаллические полевые транзисторы продемонстрировали высокую электронную подвижность и сохраняли работоспособность при контакте с воздухом, что крайне важно для n-канальных полупроводников.
Транзисторы были протестированы в качестве газоанализаторов и показали четкий отклик на концентрацию сероводорода на уровне 500 миллиардных долей. Столь высокая чувствительность объясняется способностью молекул полупроводника связываться с H2S.
Рентгеноструктурный анализ определил кристаллические решетки всех синтезированных соединений и показал тип упаковки молекул, наиболее благоприятный для переноса зарядов. Квантово-химическое моделирование подтвердило перспективность транзисторов для применения в электронных приборах разного назначения. Авторы разрабатывают систему «электронный нос» для мониторинга загрязнения и диагностике болезней по составу выдыхаемого воздуха.
Недавно мы рассказали об умном алкотестере, который моментально определяет отравление метанолом.
