Polimery przewodzące mają wiązania na przemian podwójne i pojedyncze. Wzrost przewodnictwa do poziomu typowego dla metali powoduje domieszkowanie.

Metale jako tworzywa mają dużo wad: ich produkcja oraz przetwarzanie (odlewanie, kucie, spiekanie) jest energochłonne, a obróbka mechaniczna (skrawanie) wiąże się z ogromnym marnotrawstwem. Metale są bardzo ciężkie w porównaniu z tworzywami sztucznymi i materiałami naturalnymi, ponadto korodują, a ich ochrona przed tym niszczycielskim procesem jest kosztowna. Własności mechaniczne metali są znacznie mniej zróżnicowane niż tworzyw sztucznych. Wreszcie metale są nieprzezroczyste, co w wielu potencjalnych zastosowaniach jest ich istotną wadą. Dlatego metale coraz częściej są wypierane przez przewodniki organiczne czyli plastiki.
Pierwszy zauważył, że polimery syntetyczne mogą przewodzić prąd Hideki Shirakawa z Uniwersytetu prefektury Tsukuba w Japonii w 1975 roku. Zauważył on, że otrzymana przez niego przypadkiem odmiana polimeru acetylenu zwanego poliacetylenem przewodzi słabo prąd. Acetylen jest gazem, każda jego cząsteczka zawiera dwa atomy węgla i dwa wodoru. Pomiędzy atomami węgla występuje potrójne wiązanie. W procesie polimeryzacji acetylenu, jaki przeprowadził Shirakawa, jedno z trzech wiązań pękało, co pozwalało cząsteczkom acetylenu na łączenie się w bardzo długie łańcuchy, w których wiązania pomiędzy atomami węgla są na przemian podwójne i pojedyncze. Należało jeszcze wyjaśnić, jak to się dzieje, iż taki łańcuch węglowy może być ścieżką dla poruszających się elektronów. Okazało się, że to właśnie ów naprzemienny układ wiązań w poliacetylenie umożliwiał elektronom przeskakiwanie wzdłuż łańcucha. W ten sposób w plastiku po raz pierwszy popłynął prąd.
Prawdziwy przełom nastąpił nieco później, kiedy Shirakawa swoje próbki poliacetylenu udostępnił A. J. Heegerowi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara w USA, A. G. MacDiarmidowi z Uniwersytetu Pensylwanii w USA. Amerykanie wpadli bowiem na pomysł, by do otrzymanego przez Japończyka polimeru dodać domieszki. Pracujący już w trójkę naukowcy wzbogacali poliacetylen o brom, jod, pięciofluorek arsenu i nadchloran potasu. W efekcie w 1977 roku przewodnictwo elektryczne badanego przez nich polimeru wzrosło o 18 rzędów wielkości. Plastik zaczął przewodzić prąd niemal tak samo dobrze jak metaliczna miedź. Za to odkrycie dostali Nagrodę Nobla z chemii w 2000 roku.

Dwa rodzaje przewodników organicznych

Obecnie otrzymano wiele związków organicznych przewodzących prąc. Przewodzące tworzywa sztuczne wykorzystywane w elektronice można podzielić z grubsza na dwie grupy. Pierwsza obejmuje związki o małych cząsteczkach, a druga długie sprzężone polimery. Przykładem związku z pierwszej grupy jest pantacen zbudowany z pięciu połączonych pierścieni benzenowych. Związki o małych cząsteczkach przewodzą w stanie czystym i w postaci kryształów lub cienkich warstw i można je od razu wykorzystywać w strukturach. Z kolei łańcuchy polimerów mają długość setek lub tysięcy atomów węgla, ale między atomami na przykład węgla w łańcuchu występują na przemian wiązania pojedyncze i podwójne (Takie łańcuchy nazywamy sprzężone). Elektrony należące do tych wiązań ulegają delokacji, czyli przynależą do wielu atomów co pozwala przewodzić słaby prąd. Dopiero domieszkowanie powoduje wzrost przewodnictwa. Przewodzące tworzywa sztuczne znalazły wiele zastosowań: w typowych obwodach elektronicznych, jako inhibitory korozji, ekrany elektromagnetyczne w układach elektronicznych, warstwy antystatyczne na emulsjach fotograficznych oraz absorbujące mikrofale powłoki, które czynią pokryte nimi obiekty niewidocznymi dla radarów, wzajemne połączenia instalacji elektrycznych.
Zastosowań jest coraz więcej. Można wyprodukować takie polimery przewodzące, które reagują na światło. Mało tego, materiały tego typu mogą reagować np. wyłącznie na określony kolor światła. Już dziś uczeni potrafią otrzymywać polimery wrażliwe na pewne substancje, np. białka czy jony. Takie polimery już znalazły zastosowanie w biosensorach, które służą do wykrywania np. określonych enzymów we krwi.

Bardzo cienki wyświetlacz zwany e-papierem zastosowany w wyświetlaczach wideo

W stanie niedomieszkowanym, czyli półprzewodnikowym, polimery przewodzące wykazują efekt elektroluminescencyjny, czyli świecą pod wpływem przyłożonego napięcia. Kolor jego świecenia można łatwo zmieniać poprzez chemiczną modyfikację łańcucha polimeru. Ostatnio zbudowano organiczne diody świecące PLED (Polimers Light Emitting Diods) bardzo prostej budowie, a stąd znowu tylko krok do polimerowych płaskich ekranów kolorowych (już istnieją) i do plastikowych laserów (na etapie prób).

Matryca plastikowych tranzystorów wykonanych techniką druku atramentowego, tranzystory te znajdą zastosowanie w wyświetlaczach z aktywną matrycą i papierze elektronicznym

Następnym krokiem było stworzenie układów elektronicznych z organicznych tranzystorów. Takie układy nie będą takie szybkie i miniaturowe jak krzemowe, ale za to tanie, elastyczne i lekkie. Najłatwiej zrobić takie układy różnymi sposobami naparowania substancji. Obecnie wydaje się najbardziej obiecująca technologia stosowania maszyn przypominających drukarki atramentowe i utrwalanie nadruku za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Kolorowe tusze zastępuje roztwór polimeru lub jego prekursora. Na razie testy przeprowadzono z małą rozdzielczością ale adaptacją tej technologii zajmuje się kilka znanych firm.
Już niedługo układy oparte na tranzystorach organicznych znajdą wiele zastosowań tam gdzie nie jest potrzebna duża szybkość i małe rozmiary. Takie układy będą bardzo tanie i wygodne. Już testuje się ich wykorzystanie w znacznikach do systemów identyfikacji radiowej np. do automatycznego pobierania opłat na parkingach lub autostradach, w układach rejestracji danych, w wyświetlaczach tak tanich, że praktycznie jednorazowego użytku oraz znacznikach w czytnikach płatniczych, które mogą zastąpić kody kreskowe. Być może już niedługo kalkulator zbudowany z plastikowych tranzystorów będzie można zwinąć w rulon. Plastikowe układy pozwolą wreszcie uzyskać elektroniczny papier, czyli cienki wyświetlacz zwany e-papierem.
W 2003 roku naukowcy z University of California w Berkeley na konferencji IEDM pokazali jak umieszczać tranzystory bezpośrednio na włóknach. Komputery, które dosłownie założymy na siebie, będą monitorować najważniejsze parametry organizmu i stan otaczającego środowiska. Będą to inteligentne ubrania reagujące na światło, zmieniające porowatość w zależności od ilości wydzielanego potu czy też regulację przewodnictwa cieplnego (ubranie będzie samo decydować czy będzie grzać, czy chłodzić).

Wrażliwa na nacisk sztuczna skóra

W listopadzie 2003 roku Takao Someya i jego współpracownicy z Uniwersytetu Tokijskiego poinformowali o zastosowaniu tranzystorów z pentacenu we wrażliwej na ciśnienie skórze zdolnej do zapewnienia robotom zmysł dotyku. Elementem czułym na ciśnienie jest zawierający drobiny węgla i gumę kompozyt, który zmienia opór w zależności od wywieranego nań nacisku. Zmiany oporu powodują przełączanie znajdujących się w głębi tranzystorów zbudowanych z pancatenu. Przygotowano matrycę 16x16 elementów umieszczone na kwadracie o boku 3 mm. Matryce można zginać, osiągając promień krzywizny nawet 5 mm, co w zupełności wystarcza, aby umieścić je na szczupłych palcach. Wadą obecnego rozwiązania jest mała stabilność, ponieważ po kilku dniach czułość czujników słabnie. Trzeba czekać na dalszy rozwój technologii plastikowej elektroniki.
Organiczne polimery przewodzące mają możliwość zrewolucjonizowania rynku urządzeń przetwarzających energię słoneczną na prąd. Główną zaletą nowej technologii ogniw słonecznych, opartych na organicznych polimerach przewodzących, jest ich prostota produkcji oraz co za tym idzie, niska cena w przeliczeniu na jednostkę prądu wytwarzanego przez ogniwo słoneczne. Takie ogniwo będzie o bardzo małej grubości (materiałem nośnym może być cienka folia plastikowa), elastyczne oraz ekologiczne (półprodukty do produkcji takich urządzeń mogą być w pełni biodegradowalne). Pierwsze na świecie ogniwo słoneczne o wymiarach 3x4,2 metra, wytwarzające prąd elektryczny o napięciu 110 V w oparciu o organiczne polimery przewodzące, trafi najprawdopodobniej do sklepów już w 2006 roku!
Opracowano na podstawie nr 9/2004 Świata Nauki i nr 1/2001 Wiedzy i Życia.

---

Schemat działania pamięci magnetycznej

W urządzeniach elektronicznych, opartych na materiałach półprzewodnikowych nośnikiem informacji są ładunki elektryczne przenoszone przez strumień elektronów płynących w ciele stałym. Dziś, gdy dominuje zapis informacji w układzie dwójkowym, posługiwanie się strumieniem ogromnej liczby elektronów do przetwarzania informacji jest nieracjonalne. Powoduje to spore kłopoty techniczne, wynikające z konieczności odprowadzania wydzielanego ciepła. A przecież do zakodowania najmniejszej porcji informacji wystarczyłby jeden pojedynczy elektron. Stąd pomysł wykorzystania innej cechy jaką posiada elektron, mianowicie spinu. Spin jest to wewnętrzny moment pędu związany z ruchem obrotowym elektronu wokół własnej osi. Wokół wirującego ładunku powstaje pole magnetyczne. Spin może przyjmować tylko dwie wartości i może być zorientowany do góry i do dołu. Dziedzina techniki wykorzystująca spin cząstek nazwana została spintroniką czyli inaczej elektroniką spinową.

Schemat tranzystora spinowego. Przepuszcza on elektrony o spinie skierowanym w górę w jedną stronę, a o spinie skierowanym w dół w druga stronę.

Zadaniem spintroniki jest poszukiwanie materiałów oraz zjawisk fizycznych związanych ze spinem elektronu, które mogą stanowić podstawę budowy jakościowo nowych urządzeń technologii informatycznych. W urządzeniach tych spin elektronu służyłby nie tylko do przechowywania informacji, ale także do jej przetwarzania i przesyłania.
Rozwój spintroniki rozpoczął się od odkrycia zjawiska gigantycznego magnetooporu w strukturach złożonych z kilku metalicznych warstw, na przemian ferromagnetycznych i niemagnetycznych, za które odkrywcy Albert Fert i Peter Grünberg otrzymali w 2007 roku Nagrodę Nobla z fizyki. Zjawisko to znalazło zastosowanie w czujnikach magnetycznych stosowanych między innymi w dyskach twardych.
Spin elektronów próbuje się wykorzystywać w nowym typie tranzystora (jest to element z których zbudowane są układy elektroniczne, na przykład procesory), nazwanego tranzystorem spinowym. Ze spinem nierozerwalnie wiąże się pole magnetyczne. Ponieważ przypadkowe pola magnetyczne są dużo słabsze niż przypadkowe pola elektryczne, pamięci spintroniczne nie traciłyby informacji po odłączeniu zasilania, a procesory spintroniczne potrafiłyby fizycznie modyfikować własne obwody, dopasowując swoją strukturę logiczną do aktualnych potrzeb. Pierwszą ideę budowy

Schematycznie przedstawienie barier jakie napotyka na swojej drodze elektrony o różnych spinach w tranzystorze spinowym. Elektron o spinie oznaczonym kolorem czerwonym zostanie przepuszczony przez taki tranzystor, a ten oznaczony kolorem błękitnym nie.

półprzewodnikowego tranzystora spinowego przedstawiono w 1990 roku, a pomysł udało się sprawdzić doświadczalnie 2009 roku. W 2012 roku model takiego tranzystora został zbudowany przez grupę niemieckich uczonych z Uniwersytetu w Ratyzbonie przy współudziale grupy fizyków z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk pod kierunkiem profesora Tomasza Wojtowicza. Układ zbudowano z tak zwanych rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych tworzących strukturę z tellurku kadmu silnie domieszkowanego manganem zapisaną w skrócie: (Cd,Mn)Te. Rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne charakteryzują się nadzwyczajną czułością spinu elektronu na zewnętrzne pole magnetyczne. Niestety taki tranzystor działa na razie tylko w niskich temperaturach.

Artystyczna wizja tranzystora działającego na pojedynczych elektronach

W tranzystorze spinowym wykorzystuje się półprzewodniki ferromagnetyczne, łączące zalety materiałów półprzewodnikowych i metali ferromagnetycznych. Należą do nich odkryte i badane przez zespół profesora Tomasza Dietla z Uniwersytetu Warszawskiego rozcieńczone półprzewodniki ferromagnetyczne oparte na strukturze arsenku galu domieszkowanym manganem, w których współistnienie zjawisk charakterystycznych dla półprzewodników i ferromagnetyków prowadzi do nowych własności. W materiałach tych można sterować namagnesowaniem przy pomocy pola i prądu elektrycznego, a także światła, co jak się przypuszcza pozwoli wyeliminować części mechaniczne, to jest przesuw taśmy czy obrót dysku w pamięciach magnetycznych. Obecnie poszukiwanie się nowych półprzewodników ferromagnetycznych, które takie właściwości wykazują powyżej temperatury pokojowej. Być może układy elektroniczne oparte na takich tranzystorach spinowych zastąpią kiedyś tradycyjne.
W przyszłości być może będzie można jeszcze pełniej wykorzystać własności spinu. Ponieważ spin elektronu może przyjmować tylko dwie wartości, nadaje się on idealnie do przeprowadzania operacji logicznych w kodzie dwójkowym. Dodatkowo spin jest właściwością tylko kwantową. A mechanika kwantowa dopuszcza istnienie dziwnych stanów, które są mieszaniną (superpozycją) podstawowych stanów. Dzięki temu w istotny sposób zwiększa się liczba informacji, jaka można przetwarzać za pomocą spinu. Być może uda się zbudować komputer kwantowy wykorzystujący spin jąder atomów w ciałach stałych, którego logika funkcjonowania byłaby zupełnie odmienna od stosowanych we współczesnych komputerach.

---

« Poprzednia  Następna »