Ученые синтезировали полимерные пленки с улучшенными диэлектрическими свойствами

Органическая электроника использует органические материалы для изготовления микросхем и  других электронных устройств. В  качестве полупроводников в  такой электронике применяют полимерные материалы, которые заменяют традиционные электронные компоненты на  основе кремния, меди и  т.  д.

В  частности, полимерные пленки из  поливинилспирта (ПВС) обладают высокой диэлектрической прочностью и  способностью к  накоплению заряда. Их  используют в  литий-полимерных аккумуляторах и  конденсаторах, светодиодах (OLED) и  солнечных элементах. Однако они пока уступают традиционным аккумуляторам на  основе кремния в  эффективности накопления энергии. И  группа ученых выяснила, как сделать пленку из  ПВС более энергоэффективной: для этого добавили в  ее  состав еще один полимер  — полиэтиленгликоль (ПЭГ).

«Энергоемкость аккумуляторов напрямую зависит от  диэлектрической проницаемости полимерной пленки. Мы  проанализировали, как изменяются диэлектрические свойства пленки из  ПВС при добавлении ПЭГ в  разных концентрациях  — 1, 3, 5, 10, 15  и  20  %. Анализ с  помощью импедансной спектроскопии показал, что даже при однопроцентной концентрации ПЭГ в  составе способность пленки накапливать электроэнергию увеличивается в  несколько раз. Следовательно, применение смеси ПВС и  ПЭГ увеличит электрическую емкость литий-полимерных аккумуляторов, используемых в  мобильных телефонах, цифровых устройствах  и, в  том числе, в  гибридных электромобилях»,  — поясняет старший научный сотрудник Научно-образовательного центра «Наноматериалы и  нанотехнологии» УрФУ Ахмед Хинайш.

Усовершенствованную полимерную смесь можно использовать и  в  других органических электронных элементах. Так, благодаря ее  новому составу уменьшаются потери тока в  органических полевых транзисторах (OFET).

«Особенность полевого транзистора заключается в  низком энергопотреблении при достаточно высоких токах. Сейчас наблюдается повышенный интерес к  применению OFET в  новых промышленных устройствах. Однако органические транзисторы обладают еще целым рядом недостатков, устранение которых зависит в  том числе от  улучшения свойств полимерных материалов»,  — добавляет Ахмед Хинайш.

Отметим, что над синтезом пленок работали ученые НОЦ «Нанотех», УрФУ (Россия) и  Университета Танта (Египет). В  дальнейшем исследователи планируют изучить диэлектрические свойства тонких полимерных нанокомпозитов из  ПВС с  добавлением алюминия.

Справка

Поливиниловый спирт и  полиэтиленгликоль  — это искусственные органические полимеры. Главной особенностью органических полимеров является наличие атомов углерода в  составе. Электроника с  органическими полимерами отличается от  классических кремниевых элементов легкостью, гибкостью и  прозрачностью. При производстве таких полимерных материалов используют технологии полимеризации, конденсации и  химических воздействий. Так, поливиниловый спирт синтезируют из  простых и  сложных поливиниловых эфиров с  помощью щелочного или кислотного гидролиза, а  полиэтиленгликоль получают методом воздействия на  окись этилена щелочными катализаторами и  гликолями. Целлюлоза  — типичный пример природного полимера. Пример искусственной полимеризации  — воздействие на  целлюлозу хлорэтилом в  присутствии едкой щелочи или другими реагентами. В  результате получаются органические полимеры этилцеллюлоза, метилцеллюлоза и  бензилцеллюлоза.

Первые проводящие полимеры в  1970-80-х годах создали Алан Макдиармид из  Пенсильванского университета, Алан Хигер из  Калифорнийского университета и  Хидэки Ширакаве из  Цукубского университета. За  это в  2000 году они получили Нобелевскую премию по  химии. Открытие высокой электропроводности модифицированных полимеров стало важным этапом на  пути к  созданию новой электроники, основанной на  органических материалах.