A-Z ELEKTRO květen / červen 2020

VĚDA A VÝZKUM květen/červen 2020 | A-Z ELEKTRO | 97 Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Šlechtitelů 27 783 71 Olomouc Tel.: (+420) 585 634 973 Email: rcptm@upol.cz www.rcptm.com Facebook: https://www.facebook.com/rcptmcz Twitter: https://twitter.com/RCPTM1 M ezinárodní tým vědců za účasti výzkumníků z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a Fyzikálního ústavu (FZÚ) AV ČR v Praze navrhl a experimentálně potvrdil možnost přípravy jednorozměrných vodivých poly- merů na bázi uhlíku. Vzhledem k tomu, že uhlík je jedním z nejdostupnějších prvků, vykazují nové polymerní vodiče v porov- nání s běžnými kovovými vodiči potenci- álně nejen nižší výrobní náklady, ale také větší stabilitu a lepší možnosti řídit jejich materiálové vlastnosti. Společná práce českých, španělských a švýcarských vědců, kterou publikoval ne- dávno prestižní časopis Nature Nanotech- nology, představuje nový přístup k vývoji nekovových vodičů využitelných v solární energetice, optických technologiích či nanoelektronice. O významu práce svědčí fakt, že editoři časopisu Nature Nanotech- nology věnovali článku speciální komentář News & Views. „Výhodou nových polymerů je možnost řídit jejich elektronické a optické vlast- nosti a očekávaná vyšší stabilita oproti stávajícím vodivým polymerům, které jsou obohaceny cizími prvky. Jejich syntéza je navíc jednoduchá a snadno opakovatelná. Možnost konstrukce stabilních uhlíkových vodivých polymerů otevírá nové možnosti pro miniaturizaci a zvýšení výkonu řady elektronických součástek,“ řekl Pavel Jelínek, který vede český tým. Kovové vodiče, které jsou v současné době nedílnou součástí většiny komerč- ních elektrických a elektronických zařízení, vedou elektrický proud pomocí volných elektronů v jejich strukturách. Organické molekuly na bázi uhlíku a vo- díku ve většině případů volné elektrony neobsahují a chovají se jako izolanty. Jsou ovšem známy organické vodiče, tzv. vodivé polymery, které vedou elektrický proud díky obohacení jinými prvky. Tyto cizí prvky dodávají nebo odebírají ze struk- tury uhlíkových polymerů elektrony, čímž vzniká potřebný volný elektrický náboj odpovědný za vysokou elektrickou vodivost. Za objev těchto polymerů byla v roce 2000 udělena Nobelova cena za chemii. Výhodou polymerních vodičů oproti běžným kovovým vodičům je nená- ročnost jejich výroby a snadné zpracování běžnými technologiemi, lepší mechanické vlastnosti a možnost ladit jejich elektrické i optické charakteristiky. Některé z nich proto nalezly uplatnění v organických LED diodách, solárních článcích, tranzistorech Obr. 2 Schematické znázornění struktury 1D vodivého polymeru na povrchu zlata a hrotu rastrovacího mikro- skopu, který byl použit pro jeho charakterizaci. (autor obrázku: M. Pykal) Čeští vědci přispěli k vývoji nové třídy jednorozměrných organických vodičů nebo různých typech senzorů. Naopak hlavní nevýhodou stávajících vodivých po- lymerů je jejich nízká chemická a tepelná stabilita, která souvisí s přítomností cizích prvků v jejich struktuře. Řada labo- ratoří ve světě se proto snaží o přípravu nových typů vodivých polymerů, které by cizí prvky neobsahovaly. Jako prvnímu se to podařilo právě česko-španělsko-švýcar- skému týmu. „V naší práci jsme studovali tzv. pí-kon- jugované polymery, které jsou charakte- ristické střídáním jednoduchých a dvoj- ných vazeb mezi atomy uhlíku. Nicméně vhodnou volbou základních stavebních jednotek polymeru lze připravit jednoroz- měrný systém, který se nachází v blízkosti fázového přechodu, na základě kompen- zace vnitřního mechanického napětí poly- meru a jeho elektronové struktury. Právě s použitím správných výchozích molekul vznikl vysoce vodivý polymer s volnými elektrony bez nutné přítomnosti cizích prvků. Tento přístup k syntéze 1D vodivých polymerů může vést k vývoji nové gene- race organických vodičů pro molekulární elektroniku,“ uvedl Jelínek. Syntéza 1D polymerních řetízků pro- bíhala na povrchu zlata. Chemickou struk- turu a elektrické vlastnosti vědci zkoumali pomocí rastrovacího mikroskopu s che- micky upraveným hrotem, který umožňuje zobrazení jednotlivých molekul. „Vodivé polymery byly připraveny nanesením vhodných molekul, které vyvinuli španělští kolegové, na povrch zlata. Jejich následné tepelné zpracování vedlo k tvorbě dlou- hých 1D řetízků bez jakýchkoliv struktur- ních poruch. Základní stavební jednotky polymerů byly vzájemně propojenými uhlíkovými můstky. Elektrické vlastnosti 1D polymerů lze navíc ladit právě vhodnou volbou základních stavebních jednotek a posunout se například k vývoji 1D orga- nických polovodičů. Vyvinuté polymery by mohly nalézt uplatnění nejen při vývoji molekulární elektroniky, ale i nových opto- elektronických zařízení nebo organických solárních cel,“ říká Bruno de la Torre působící ve FZÚ a RCPTM. Výsledky studie navazují na spolupráci španělského a českého týmu, která v ne- dávné minulosti vedla k vývoji chemických protokolů pro syntézu polymerů, jejichž příprava není možná pomocí běžných postupů. „Práce v Nature Nanotechnology ukazuje unikátní možnosti chemie na po- vrších, kde se uplatňují odlišná chemická pravidla oproti reakcím probíhajícím v kapalném nebo plynném prostředí. Lze tak připravit zcela unikátní materiály, jako jsou právě 1D molekulární vodiče s vlastní vodivostí vyplývající přímo z jejich struktury. Tyto poznatky by mohly pomoci k řešení řady dalších vědeckých výzev a přípravě nové generace nízkodi- menzionálních struktur se zcela novými optickými, magnetickými a elektrickými vlastnostmi,“ dodává Radek Zbořil z olo- mouckého RCPTM. Obr. 1 Struktura vodivého 1D polymeru pohledem mikroskopie atomárních sil (nahoře). Snímek z rastrovacího tunelo- vého mikroskopu, který ukazuje tzv. volné elektronové radikály na konci polymeru (dole). (autor snímku: B. de la Torre)