نیمه‌رساناهای آلی نسبت به نیمه‌رساناهای سیلیکونی متداول چندین مزیت دارند: نخست این که از عناصری ساخته می‌شوند که به وفور در طبیعت یافت می‌شوند؛ مانند کربن، هیدروژن و نیتروژن. دیگر این که انعطاف‌پذیری مکانیکی خوبی دارند، هزینه ساختشان پایین است و می‌توان به راحتی آنها را به تولید انبوه رساند. شاید ویژگی مهم‌تر آنها این باشد که خود پلیمرهای تشکیل‌دهنده را می‌توان به کمک تنوعی از روش‌های شیمیایی ساخت تا نیمه‌رسانایی که در نهایت ساخته میشود از خواص نوری و الکتریکی جالب‌توجهی برخوردار شود. با وجود این خواص، به شیوه‌های بسیار متنوع تری می‌توان ویژگی‌های نیمه رساناهای آلی را طراحی، تنظیم و انتخاب کرد؛ در حالی که این آزادی عمل در مورد ترانزیستورهای غیرآلی، برای مثال انواع سیلیکونی، وجود ندارد.
تا دهه‌ها، تراتزیستورهای اثر میدانی(field-effect)که عملکردشان به کمک نیمه رساناهای سیلیکونی بود تحول بزرگی در دنیای الکترونیک پدید آوردند اما در سالهای اخیر سازندگان قطعات الکترونیکی برای کاهش ابعاد چیپ‌‌های سیلیکونی و افزایش کارایی آنها با محدودیت‌های فیزیکی روبرو شدهاند. این امر موجب شد دانشمندان و مهندسین به دنبال جایگزینی برای ترانزیستورهای اکسید فلزی مرسوم باشند. این جایگزین، نیمه رساناهای آلی هستند.
ترانزیستورهایی که از مواد آلی یا نیمه‌رساناهای مبتنی بر کربن ساخته می‌شوند در سالهای اخیر توجه بسیاری را به خود معطوف کرده‌اند. ترانزیستورهای اثر میدانی آلی در اوایل سال ۱۹۸۶ به دنیا معرفی شدند؛ با این حال از لحاظ عملکرد هنوز بسیار عقب‌تر از ترانزیستورهای سیلیکونی هستند .
اما پژوهشگران «دانشگاه فنی درسدن» در آلمان برای نخستین‌بار موفق شدهاند یک ترانزیستور دوقطبی آلی با کارایی بسیار بالا را طراحی کنند. عامل ضروری در ساخت این ترانزیستور استفاده از لایه‌های آلی نازکی بود که با نظم بالایی روی هم قرار گرفتند. این فناوری چندین برابر سریع‌تر از ترانزیستورهای آلی است که پیش از آن ساخته شدهاند. به علاوه، برای نخستین بار ترانزیستوری ساخته شده که توانسته است به فرکانس‌هایی در دامنه گیگاهرتز برسد. به عنوان مثال، می‌تواند در هر ثانیه بیش از یک میلیون بار تغییر عملیات دهد.
ساخت نخستین نمونه ترانزیستور دوقطبی ارگانیک برای سازندگان آن امری بسیار پرچالش بود، چون باید لایه‌هایی با کیفیت بسیار بالا و ساختاری جدید ساخته و آنها را سازماندهی می‌کردند. آنها ۲۰ سال به ساخت چنین وسیله‌ای فکر کردند تا در نهایت توانستند لایه‌هایی بسیار منظم را برای آن طراحی کنند.
ترانزیستور دو قطبی آلی و پتانسیل‌های آن دریچه کاملاً تازه‌ای را به دنیای الکترونیک آلی باز میکند و کاربردهای قابل‌توجهی خواهد داشت. از میان کاربردهای قابل‌پیش‌بینی آن در آینده می‌توان برای مثال به چسب‌های هوشمندی اشاره کرد که مجهز به حسگر هستند و داده‌های حسگر را به صورت محلی پردازش می‌کنند و به طور وایرلس با بیرون ارتباط برقرار می‌کنند .
در سالهای اخیر، چاپ سه بعدی قطعات الکترونیکی به یک فناوری پیشرو تبدیل شده‌است و این به دلیل کاربردهای بالقوه‌ای است که در شاخه‌های علمی نوین مثل نانوالکترونیک و نانوفوتونیک دارد. در میان فناورهایی که بر مبنای فرایند میکروساخت هستند، یعنی از طریق آنها محصولاتی در ابعاد میکرومتر یا کوچک‌تر ساخته می‌شوند، «لیتوگرافی چند فوتونی» (MPL)جایگاه ویژه‌ای دارد. این روش در میان شیوه‌های میکروساخت که قابلیت چاپ سه بعدی دارند پیشرفته‌ترین است، بالاترین میزان کنترل زمانی و مکانی را ممکن میکند و تنوعی از مواد حساس به نور را می‌توان با آن ساخت؛ موادی که بیشتر متشکل از پلیمرها و مونومرهای اکریلاتی یا لاک‌های نوری از جنس اِپوکسی هستند.
محمدرضا عبیدیان، استاد مهندسی زیست‌پزشکی در «دانشگاه هیوستون» با نگاهی به آینده تولید قطعات الکترونیکی آلی در مقیاس میکرو، امکان توسعه این فناوری را مورد بررسی قرار داده است. نتیجه آن معرفی نوعی رزین جدید حساس به نور است که با یک ماده نیمه‌رسانای آلی تقویت شده تا در ساخت ریزساختارهایی با رسانایی بسیار بالا به کمک فناوری چاپ سه بعدی مورد استفاده قرار گیرد. ویژگی‌های ساختاری این ماده از طریق فرایند لیتوگرافی چند فوتونی به آن داده شده‌است.
او و همکارانش در مقاله خود شرح داده‌اند که چگونه فرایند ساخت این ماده روی یک بستر شیشه‌ای و انعطاف‌پذیر از جنس پلی‌دی‌متیل‌سیلوسان امکانپذیر است. آنها نشان داده‌اند که افزودن تنهاwt 5ر۰ درصد از ماده نیمه‌رسانای آلی به رزین به طرز قابل ملاحظه‌ای رسانایی الکتریکی پلیمر کامپوزیتی نیمه رسانای آلی را افزایش میدهد و قدرت رسانایی آن را ۱۰ برابر بالاتر می‌برد.
قابلیت رسانایی فوق‌العاده زیاد آن را باید به دلیل حضور نیمه‌رسانای آلی در زنجیره پلیمری دانست، چرا که گذرگاه‌‌های رسانایی یونی و رسانایی الکترونیکی را در طول زنجیره پلیمری ایجاد میکند.
آنها به منظور شرح کاربردهای الکترونیکی وسایلی که بر مبنای رزین کامپوزیتی حاوی نیمه‌رسانای آلی هستند، چند وسیله ریزالکترونیکی ساختند؛ از جمله صفحه مدار ریزچاپ شده که متشکل از اجزای الکتریکی مختلف و نیز آرایه‌‌ای از ریزخازن‌ها است.
ریزقطعات نیمه‌رسانای آلی مبتنی بر لیتوگرافی چند فوتونی که به کمک زیست چاپ سه بعدی ساخته می‌شوند کاربردهایی نیز در زیست پزشکی دارند. از آن جمله می‌توان به مهندسی بافت، زیست الکترونیک و زیست‌حسگرها اشاره کرد. عبیدیان و تیمش موفق شدند مولکول‌های زیست فعال مانند لامینین و گلوکز اکسیداز را با ریزساختارهای کامپوزیتی ماده نیمه‌رسانای آلی ترکیب کنند. آنها به منظور اطمینان از این که ویژگی زیست‌فعالی لامینین در تمامی فرایند لیتوگرافی چند فوتونی حفظ میشود، سلول‌های اندوتلیال اولیه موش را روی ریزساختارهای کامپوزیتی نیمه‌رسانای آلی کشت دادند. سلول‌هایی که روی لامینین ترکیب شده با این ریزساختارها رشد کردند، ویژگی‌های مثبتی مثل درآمیختگی با بستر، تکثیر و بقای بیشتر را از خود نشان دادند.
علاوه بر این، آنها با کشت لنفوسیت، به عبارتی دقیق‌تر سلول‌های تی و سلول های بی‌طحالی روی سطوح، سازگارپذیری زیستی ساختارهای کامپوزیتی ماده نیمه رسانای آلی را ارزیابی کردند. پس از گذشت هفت روز از آغاز کشت، پلیمرهای کامپوزیت موجب مرگ سلولی نشدند و میزان زیست پذیری سلول‌ها ۹۴ درصد بود. همچنین، تأثیر پلیمرهای کامپوزیتی نیمه‌رسانای آلی بر فعال‌سازی سلول‌ها مورد مطالعه قرار گرفت.
بالاخره این‌که پژوهشگران بر مبنای لیتوگرافی چند فوتونی، یک روش بدیع برای ساخت قطعات زیست الکترونیکی و حسگرهای زیستی ارائه دادند. آنها یک حسگر زیستی گلوکزی شبیه به الکترودهای عصبی ساختند. برای این منظور، گلوکز اکسیداز، آنزیمی که وظیفه‌‌اش شناسایی گلوکز است را با روش لیتوگرافی چند فوتونی درون ریزالکترودهای کامپوزیتی نیمه‌رسانای آلی جاگذاری کردند. حسگر ساخته شده حساسیت بسیار بالایی نسبت به کلوگز از خود نشان داد که این میزان حساسیت ده برابر بیشتر از حساسیت حسگرهای زیستی گلوکزی است که پیش از این ساخته شدهاند. دیگر این که حسگر جدید دقت زیاد و قابلیت ساخت مجدد را از خود نشان داد.
آنها همچنین پیش‌بینی می‌کنند که رزین‌‌های کامپوزیتی مبتنی بر ماده نیمه‌رسانای آلی نقطه آغاز تولید ریزساختارهای نرم، زیست‌‌فعال و رسانا برای کاربردهای مختلف در حوزه‌های نوظهوری مثل زیست‌الکترونیک منعطف، حسگرهای زیستی، نانوالکترونیک، اندامه تراشه(organ-on-chip)و روش‌های سلول درمانی دستگاه ایمنی هستند .
الکترونیک آلی برنامه‌پذیر
مدارهای منطقی برنامه‌پذیر به عنوان کاندیدی برای الکترونیکی که نیمه‌رساناهای اکسید فلزی رایج را پشت سر می‌گذارد بسیار مورد توجه هستند؛ چون امکان ساده کردن طراحی مدار را هم زمان با افزایش کارایی آن فراهم می‌آورند. دسته‌ای از انواع ترانستورهای مبتنی بر کربن که ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی نام دارند، برخلاف انواع سیلیکونی یا انواعی که مبتنی بر گالیم و نیترید هستند ویژگی‌های مطلوبی را برای کاربرد در الکترونیک برنامه‌پذیر از خود نشان داده‌اند.
پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، «سانتا باربارا» یک ماده غیرمنتظره از جنس پلیمر مبتنی بر کربن نرم با خاصیت نیمه‌رسانایی را به عنوان ماده‌ای که امتیازهای منحصربه‌فردی نسبت به نیمه رساناهای غیرآلی دارند مورد مطالعه قرار دادند.
مدارهای منطقی آلی برنامه‌پذیر می‌توانند گزینه ایده‌آلی برای سیستم‌های رایانشی کارآمد نسل بعد و نیز الکترونیک تطبیقی باشند. این مدارها ساختار و طراحی ساده‌ای خواهند داشت، برق زیادی مصرف نخواهند کرد و به خوبی با تکنیک‌های میکروساخت سازگاری پیدا خواهند کرد.
جفتشدگی برای رسانایی
ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی مبتنی بر پلی‌الکترولیت مزدوج(CPE-K) نیز در حوزه الکترونیک تحولاتی به‌وجود آورده‌اند. یک پلی الکترولیت مزدوج یا CPE-Kمتشکل از یک ساختار مرکزی مزدوج است که پیوندهای تکی و جفتی متناوب و چندین زنجیره جانبی باردار با یونهای متصل دارد. با جفت شدن پیوندها در سراسر پلیمر خاصیت رسانایی ایجاد میشود. الکترون‌های نامتمرکز تحرک بسیار بالایی در طول پلیمر دارند و جفتشدگی پیوندها موجب میشود خاصیت رسانایی برقرار شود. در این طرح مولکولی، دو ماده کلاسیک باهم درمی‌آمیزند، پلیمر و نیمه‌رسانا.
یکی از مزایای عمده یک پلی الکترولیت مزدوج این است‌که برنامه‌‌پذیری (حالت دوگانه) دروازه‌‌های منطقی را در الکترونیک دیجیتال امکانپذیر میکند، یعنی روی یک یا چند ورودی عملیات منطقی انجام میدهد.
در ساخت نیمه‌رسانا به‌طور معمول از فرایند آلایش یا دوپینگ استفاده میشود، یعنی عناصری را به عنوان ناخالصی به ماده نیمه‌رسانا می‌‌افزایند تا ویژگی‌های الکتریکی آن را بهبود بخشند. در وسایلی که از پلی‌الکترولیت مزدوج ساخته شدهاند نیز به‌طور همزمان آلایش و خالص‌سازی صورت می‌گیرد که این بستگی به نوع یونهای آن دارد .
برای مثال می‌توان پس از ساخت یک وسیله آن را در الکترولیت مایع مثل سدیم کلرید (نمک خوراکی) محلول در آب قرار داد. سپس می‌توان با القاء ولتاژ مثبت به ورودی، سدیم را به سمت لایه فعال پلی الکترولیت مزدوج هدایت کرد. به همین ترتیب می‌توان قطبیت ولتاژ ورودی را تغییر داد و کلرید را به سوی لایه فعال روانه کرد. در هر یک از این دو حالت، یونهای متفاوتی افزوده می‌شوند و همین یونهای متفاوت هستند که تغییر وضعیت عملکرد یک وسیله الکتریکی را امکانپذیر می‌کنند.
فرایند خودآلایشی نیز روند ساخت را ساده میکند، چون در این صورت مرحله افزودن عنصر ناخالص حذف میشود. در بسیاری مواقع، هنگامی که یک ماده ناخالص‌کننده(dopant) افزوده میشود، به‌طور یکنواخت در سراسر حجم ماده پخش نمی‌شود. مواد ناخالص‌کننده آلی تمایل دارند به جای متفرق شدن در کنار یکدیگر دسته شوند. اما چون این ماده به آن مرحله نیازی ندارد، مشکل عدم توزیع یکنواخت عنصر ناخالص‌کننده مطرح نمی‌شود.
یکی دیگر از مزایای ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی مبتنی بر پلی الکترولیت مزدوج این است که با ولتاژهای خیلی پایین کار می‌کنند. از این‌رو برای کاربرد در وسایل الکترونیکی شخصی بسیار مناسب هستند. این ویژگی در کنار ویژگی‌های دیگر مثل انعطاف‌پذیری و انطباق‌پذیری زیستی موجب میشود این ماده کاندید خوبی برای کاربرد در حسگرهای زیستی ایمپلنت‌شونده، وسایل پوشیدنی و سیستم‌های رایانشی نورومورفیکی باشند که در آنها ترانزیستورهای الکتروشیمیایی آلی نقش سیناپس‌های مصنوعی یا حافظه غیرفرار را بازی کنند.
هوش مصنوعی نیز در ساخت این ماده ایفاگر نقش است. در ساخت یک ماده می‌توان از روش آزمون و خطا استفاده کرد. به عبارتی دیگر، می‌توان تعداد زیادی ماده را ساخت و برای مثال از میان ۲۰ انتخاب، ماده‌ای را که بهترین عملکرد را از خود نشان میدهد برگزید.
***
الکترونیک آلی در یک نگاه
از زمان کشف خواص رسانایی پلی استیلن در سال ۱۹۷۷، فناوری الکترونیک آلی بسیار مورد پژوهش قرار گرفته است و به عنوان یک فناوری نویدبخش برای ایده پردازی، طراحی و ساخت وسایل هوشمند به ظهور رسیده است. ویژگی‌های بی‌نظیر مولکول های کوچک و پلیمرهای آلی مانند تفکیک‌پذیری آسان آنها از محلول، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل در ساخت یک سکوی جدید برای وسایل پیشرفتهای تبدیل کرده‌اند که بر مبنای الکترونیک نوری و ریز الکترونیک ساخته می‌شوند. همچنین امکان ساخت سیستم‌های حسگری را دارند که به راحتی می‌توان آنها را از نمونه آزمایشگاهی به نمونه‌های صنعتی در تعداد بالا مبدل کرد. با پیشرفتهای اخیر در بهره‌برداری از خواص مولکول‌ها و طراحی وسایل الکترونیکی، فناوری الکترونیک آلی هر چه بیشتر به بازارهای جهانی و کاربردهای متعدد چه در میان متخصیین و چه عموم مردم نزدیک میشود.
علی‌رغم پتانسیل بسیار بالایی که الکترونیک آلی طی ۲۰ سال گذشته داشته است، تنها وسیله الکترونیکی آلی که تاکنون به صورت یک کالای تجاری درآمده لامپ‌های ال ای‌دی(LED) هستند که نام دیگرشان دیود نورافشان است .
code
اکبر عزیزی قراردادریالی اجرا شدنی نیست