Anonim

Temaer

  • Organisk kjemi
  • halvledere

Allsidigheten og potensialet til konjugerte organiske materialer fortsetter å forbløffe, med deres unike - og noen ganger uventede - egenskaper blir kontinuerlig oppdaget og utnyttet av forskere i et forsøk på å bruke dem i funksjonelle enheter.

På det 9. internasjonale symposiet om funksjonelle π-elektronsystemer (F-π-9) 2010, som fant sted på Georgia Tech i Atlanta, USA, var atmosfæren det av vitenskapelig spenning, med multinasjonale forskere som rapporterte betydelig utvikling og gjennombrudd. En av de viktigste leksjonene vi lærte på denne konferansen var en vi har blitt lært mange ganger tidligere: man kan aldri overvurdere potensialet til disse multifunksjonsmaterialene. Før vi kom til møtet, tenkte vi: "Hvilke nye overraskelser fra organiske halvledere kan vi muligens forvente?" Likevel dro vi møtet og tenkte: "Vi hadde virkelig en naiv og enkel visning av grensene disse materialene kan nå når det gjelder deres nyttige funksjonelle evner (og mangfoldet av disse) og deres ytelsesnivå når de brukes i enheter. "Slike allsidighet og fremgang i feltet skyldes delvis den enorme kompleksiteten til funksjonelle π -elektron-systemer, alt fra enkle små molekyler til polymerer og biomolekyler; fleksibilitet av kjemisk syntese; og selvfølgelig, en tverrfaglig innsats av kjemikere, fysikere og ingeniører angriper de mest utfordrende problemene fra forskjellige vinkler. I denne personlige kontoen markerer jeg to studier som ble presentert i Atlanta, som jeg tydeligste demonstrerer de siste fremskrittene i feltet.

Vurder følsomheten til organiske molekyler for reaksjoner med omgivende arter, for eksempel atmosfærisk oksygen eller fuktighet. Den samme grunnleggende egenskapen som gjør organiske molekyler syntetisk "fleksibel" kan også predisponere dem for disse uønskede reaksjonene som fører til defekter og nedbrytning av organiske enheter. To radikalt forskjellige tilnærminger kan brukes til å håndtere denne situasjonen.

Den ene er å dra nytte av allsidig syntetisk kjemi og modifisere molekyler på en slik måte at elektrondensiteten, som normalt smøres over hele det konjugerte molekylet, blir brutt opp i mindre stykker. Det er da mulig å skifte energinivåene av hver del uavhengig, og ved å gjøre det i riktig retning kan kjemikere gjøre enkelte molekyler mye mindre utsatt for interaksjon med oksygen. Kazuo Takimiya (Hiroshima University, Japan) rapporterte om en serie sammensmelte forbindelser hvor dette har blitt oppnådd ved å inkorporere svovelatomer i midten av molekylene (figur 1) 1 . Modifikasjonen økte dramatisk de omgivende stabiliteten til enkelte molekyler, men det hindret ikke deres evne til å danne velpakkede, bestilte krystallinske filmer, som er nødvendige for en effektiv overføring av ladning fra molekyl til molekyl for å lede elektrisitet i felt-effekt transistorer (FETs ). FET er en av de grunnleggende byggeblokkene i fremvoksende organisk elektronikk, hvor ledningsevnen til et halvledende lag målt ved to metallkontakter kan bli drastisk modulert av en spenning påført en tredje elektrode, kalt porten 2 . Halvlederne studerte av Takimiya et al . viste fremragende motstand mot oksidasjon; Samtidig rapporterte gruppen noen av de største ladningsbærer mobilitetene oppnådd i et organisk FET ved bruk av tynne filmer av alkylert DNTT (se figur 1). Mobiliteten er en svært viktig egenskap for en halvlederanordning, fordi den reflekterer hvor raskt den elektriske strømmen kan slås på og av, og definerer i slutt typen applikasjoner som denne teknologien kan brukes i.

DNTT: dinafto [2, 3- b : 2 ', 3'- f ] tieno [3, 2- b ] tiofen. BTBT: benzotieno [3, 2- b ] [1] benzotiofen.

Full størrelse bilde

En helt annen tilnærming til å bruke den kjemiske følsomheten til organiske halvledere er å skape smarte elektroniske sensorer. Her er målet å produsere sensorer som reversibelt forandrer egenskapene deres, for eksempel elektrisk ledningsevne, når de blir utsatt for bestemte molekylære arter uten nedbrytning eller manglende evne til å utføre på en stor tidsskala. Zhenan Bao (Stanford University, USA) rapporterte det første eksemplet på in situ- etikettfri DNA-deteksjon ved hjelp av organiske transistorer 3 . Teamet bygger på sin tidligere suksess i å utvikle organiske transistorer som kan fungere i flytende vann - en oppfinnelse som vil finne mange anvendelser i sensorteknologier som krever at målmolekyler skal spredes i vann, som for eksempel i næringsmiddelindustrien, farmasøytisk og molekylærbiologi 4 . Bao beskrev en ny enhetarkitektur og lyktes i å bruke den til elektrisk detektering, med høy grad av nøyaktighet og selektivitet, DNA-hybridiseringshendelsene som fant sted på overflaten av den organiske transistoren (figur 2a). DNA-hybridisering innebærer binding av en unzipped single strand av DNA (målet) til et annet kjent enkeltstrenget DNA-lignende molekyl (sonden) avsatt på et bestemt sted. Hybridisering kan bare skje hvis målet og proben har en komplementær sekvens av nukleotider, slik at de kan delta på en lås-og-nøkkel måte. Bao funksjonaliserte den organiske halvlederoverflaten med et probemolekyl som hadde en delvis komplementær sekvens av nukleotider med mål-DNA. Som et resultat, da mål-DNA var tilstede i en løsning som ble levert til enheten i en strømningscelle, fant sted stabil hybridisering og endret ledningsevnen til transistoren (figur 2b). Denne elektriske responsen var systematisk avhengig av komplementariteten (graden av samsvar) av det målrettede DNA og proben, og skaper muligheter for lav pris, in situ elektronisk deteksjon av DNA uten bruk av radioaktive fosforiserende etiketter og dyr konvensjonell DNA-deteksjon systemer.

a, En transistorstruktur som inkorporerer gate, dielektrisk og en organisk halvlederfilm som er funksjonalisert med molekyler som er sensitive for enkeltstrenget DNA. b Når DNA-løsningen leveres til overflaten av enheten og hybridisering av DNA-målet med sondemolekylene oppstår, endres ledningsevnen til transistorkanalen. Strømmen normaliseres i forhold til basestrøm i fravær av DNA. Del en takk til Anatoliy Sokolov (Bao Lab, Stanford Univ.); del b er tilpasset med tillatelse fra ref. 3: © 2010 Wiley.

Full størrelse bilde

F-π-9 var full av banebrytende molekylær vitenskap og teknologi, med fremskritt rapportert på mange områder, alt fra grunnleggende forståelse av elektroniske prosesser i organiske halvledere til utvikling av teknologier som kan kommersialiseres raskt. Når det gjelder feltets status, basert på det vi lærte på møtet, er det klart at funksjonelle π -elektronmaterialer vil ha en betydelig innvirkning på en rekke fremtidige praktiske teknologier, inkludert smarte sensorer, trykt fleksibel elektronikk og plast solcelle celler.

Anbefalt Redaksjonens