Ученые синтезировали полимерные пленки с улучшенными диэлектрическими свойствами

11:55, 14 марта 2022

Новый материал перспективен для использования в органической электронике

Новый полимерный материал также может быть использован для производства защитных экранов, применяемых в медицине. Фото из личного архива Ахмеда Хинайша.

Международный коллектив ученых усовершенствовал полимерные пленки — основу для органических электронных компонентов. Новый материал перспективен для увеличения емкости в литий-полимерных аккумуляторах, солнечных батареях, модернизации органических полевых транзисторов. Описание и результаты исследования опубликованы в журнале Optik.

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.