Органические полупроводники представляют собой широкий класс соединений, в которых перенос заряда осуществляется в молекулярных или полимерных структурах, содержащих сопряжённые π-электронные системы. Их ключевая особенность заключается в том, что электронная проводимость определяется не металлической решёткой или ионной подрешёткой, как в неорганических полупроводниках, а взаимодействием π-электронов, локализованных в ароматических и олефиновых фрагментах.
В отличие от традиционных неорганических полупроводников, где основную роль играет делокализация в кристаллической решётке, органические системы характеризуются слабым перекрытием молекулярных орбиталей. Это обуславливает низкую подвижность носителей заряда, но позволяет управлять электронными свойствами путём химической модификации молекул и архитектуры полимерных цепей.
1. Малые молекулы. К ним относятся ароматические углеводороды (антрацен, нафталин, пентацен), а также их гетероциклические аналоги (тиофен, фуран, пиррол и их производные). Молекулы укладываются в кристаллические структуры за счёт ван-дер-ваальсовых сил, формируя пути для переноса заряда.
2. Полимерные полупроводники. Наиболее известны поли(п-фениленвинилен) (PPV), поли(3-гексилтиофен) (P3HT), поли(анилин) и производные поли(тиофена). Полимерные цепи образуют протяжённые пути для движения зарядов, а структурная гибкость позволяет создавать тонкие плёнки и гибкие устройства.
3. Донорно-акцепторные системы. Используются комбинации электронодонорных и электроноакцепторных фрагментов, что позволяет целенаправленно регулировать ширину запрещённой зоны и эффективность переноса зарядов.
Основой проводимости является переход электронов между уровнем высшей занятой молекулярной орбитали (HOMO) и уровнем низшей свободной молекулярной орбитали (LUMO). Разность энергий между этими уровнями соответствует ширине запрещённой зоны, аналогичной энергетической щели в неорганических полупроводниках.
Перенос заряда в органических кристаллах и полимерах происходит путём туннелирования или прыжков (хоппинга) электронов и дырок между соседними молекулами или сегментами полимерных цепей. На эффективность процесса влияют:
Органические полупроводники могут быть легированы донорными или акцепторными молекулами, что повышает концентрацию носителей заряда. Легирование йодом, тетрациано-п-хинонметаном (TCNQ) или металлоорганическими комплексами приводит к резкому росту проводимости, вплоть до перехода в режим органического металла. В отличие от неорганических систем, здесь легирование нередко сопровождается изменением морфологии и стабильности материала.
1. Органические светодиоды (OLED). Применяются в дисплеях и осветительных устройствах. Основой служит эмиссия света при рекомбинации электронов и дырок в органическом слое.
2. Органические солнечные элементы. Фотогенерация носителей заряда в донорно-акцепторных смесях позволяет создавать лёгкие и гибкие фотоэлектрические устройства.
3. Органические тонкоплёночные транзисторы (OTFT). Используются в гибкой электронике, сенсорах и дисплейных матрицах.
4. Лазеры и фотонные устройства. Некоторые органические полупроводники обладают усилением излучения и могут работать в качестве активных сред лазеров.
5. Химические и биосенсоры. Благодаря чувствительности к газам, ионам и биомолекулам органические полупроводники применяются в системах обнаружения токсинов, маркёров заболеваний и загрязнителей.
Основные направления исследований связаны с увеличением подвижности носителей заряда, повышением термической и химической стабильности, расширением спектра поглощения и эмиссии, а также с созданием гибридных структур на основе органических и неорганических компонентов. Использование методов молекулярного дизайна, компьютерного моделирования и нанотехнологий открывает возможности для создания органических полупроводников нового поколения, способных конкурировать с традиционными материалами в области электроники и фотоники.