Den grønne kemi af fulleren

Forskere fra Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST) og Institute for Problems of Chemical Physics of Russian Academy of Sciences har udviklet en ny tilgang til forberedelse af tynde halvleder fullerenfilm. Metoden muliggør fremstilling af organisk elektronik uden brug af giftige organiske opløsningsmidler og dyre vakuumteknologier, dermed reduceres miljørisici og gør organisk elektronik mere tilgængelig. Resultaterne af deres undersøgelse blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry C .

Organisk elektronik giver producenterne enestående muligheder, der er utænkelige i andre teknologier. Den lette vægt, fleksibilitet og lave omkostninger ved organiske halvledere sammen med deres skræddersyede egenskaber åbner store muligheder for at designe billige og effektive enheder til internet of things (IoT) teknologi, sundhedsovervågning i realtid, fødevarekvalitetskontrol og mange andre applikationer.

Imidlertid, der er flere hindringer for stor kommerciel brug af organiske halvledere, især de miljømæssige risici forbundet med masseproduktion af organisk halvlederelektronik ved hjælp af belægnings- og trykteknikker med en stor mængde miljøfarlige giftige organiske opløsningsmiddeldampe, der udledes i atmosfæren. Vakuummetoderne er miljøvenlige, men meget energikrævende, hvilket resulterer i meget højere produktionsomkostninger og større emissioner af CO ₂ og andre drivhusgasser i energiproduktion. Udskiftning af giftige organiske forbindelser, såsom chloroform, toluen eller 1, 2-dichlorbenzen, med sikre opløsningsmidler som vand eller alkoholer kan være et stort gennembrud.

En unik form for kulstof, fullerene C60, er repræsenteret af molekyler, der ligner en fodbold og har et væld af bemærkelsesværdige egenskaber, især at være gode n-type halvledere. Imidlertid, ligesom mange andre halvledere, det er for det meste opløseligt i giftige (og ofte chlorerede) organiske opløsningsmidler.

Tidligere, et forskerhold ledet af Skoltech professor Pavel Troshin viste, at svovlholdige fullerenderivater nedbrydes, når de opvarmes let, producerer indledende fulleren. I deres seneste arbejde, forskerne udnyttede denne egenskab til at opnå tynde fullerenfilm fra vandige opløsninger.

"Målet med vores undersøgelse var at udvikle en metode til belægning af tynde film af fulleren fra vandige eller alkoholopløsninger. Af særlig interesse i denne sammenhæng er svovlholdige fullerenderivater med ionogene (amin eller carboxyliske) grupper, der er letopløselige i vand. Det betyder, at man kan bruge vandige opløsninger af disse forløberforbindelser som "elektronisk blæk" og anvende dem på et substrat ved hjælp af de eksisterende tryk- og belægningsteknikker for at opnå film, der kun skal glødes for at få fulleren-halvlederfilm i høj kvalitet, "forklarer den første forfatter af papiret og Skoltech Ph.D. -studerende, Artyom Novikov.

Fulleren-halvlederfilmene opnået fra en vandopløselig forstadieforbindelse blev anvendt til fremstilling af organiske felteffekttransistorer med højladningsbærermobilitet og gassensorer, der kan detektere analyt (ammoniak) i koncentrationer på mindre end 1 ppm.

Resultaterne opnået i denne undersøgelse viser det store potentiale for vandopløselige forstadier til miljøvenlig produktion af organisk elektronik.