Химики получили полупроводник для оптоэлектроники из грибов

Американские химики получили органическую полупроводниковую пленку из сине-зеленого пигмента, выделенного из аскомицетных грибов. Оптические свойства и электропроводность делают эту пленку перспективным материалом для создания оптоэлектронных устройств, пишут ученые в MRS Advances.

Если сейчас большинство пигментов для различных красок получают с помощью химического синтеза, то раньше для них использовались в основном красители естественного происхождения. Источником значительной части природных красителей являются минералы, но некоторые из них могут также добываться, например, из растений или грибов. Красящими компонентами в таком случае становятся органические молекулы с ароматическими элементами в структуре, которые поглощают часть излучения в видимом диапазоне спектра и приобретают таким образом цвет. Сейчас, в связи с активным развитием «зеленой химии» и стремлением снизить экологическую нагрузку со стороны химической промышленности, ученые пытаются частично вернуться к использованию материалов природного происхождения. При этом природные органические пигменты предлагают использовать не только как красители, но и, например, в качестве компонентов электронных устройств.

Группа химиков из Университета штата Орегон под руководством Оксаны Островерховой (Oksana Ostroverkhova) предложила использовать подобным образом сине-зеленый пигмент ксилиндеин, который выделяют из двух видов аскомицетных грибов рода хлороциборий: хлороцибории сине-зеленой (Chlorociboria aeruginosa) и хлороцибории сине-зеленоватой (Chlorociboria aeruginascens). Ксилиндеин — органический пигмент с хиноновой структурой, который раньше использовали для создания сине-зеленого красителя для деревянных материалов, устойчивого к воздействию солнечного света и перепаду температур.

Исследователи использовали это вещество в качестве компонента оптоэлектронных устройств, который поглощает свет в видимом диапазоне спектра. При этом для повышения устойчивости материала ксилиндеин, выделенный из грибов, выращенных в лабораторных условиях, химики смешали с полиметилметакрилатом.

Оказалось, что если из такой смеси осадить пористую аморфную пленку на поверхность электродов, то она будет не только поглощать свет в видимой области, но еще и проводить электрический ток при приложении напряжения. Поскольку максимальное поглощение света происходит при длине волны около 670 нанометров, то для измерения фототока ученые использовали гелий-неоновый лазер с близкой длиной волны — 633 нанометра. Авторы работы отмечают, что при небольших напряжениях зависимость тока от напряжения в таких пленках имеет линейный характер, однако при напряжении примерно в 120 вольт становится квадратичной. При этом подвижность носителей заряда в таких пленках составила около 10^-3 квадратных сантиметров в секунду при напряжении в один вольт.

Ученые отмечают, что проводимость в пленках ксилиндеина возникает за счет образования водородных связей и стэкинга — формирования стопок из плоских ароматических молекул из-за взаимодействия π-орбиталей атомов соседних молекул. Что интересно, добавление полиметилметакрилата при этом снижает скорость рекомбинации носителей заряда и примерно в два раза повышает эффективность материала по сравнению с пленками из чистого пигмента. Точный механизм этого явления авторы планируют изучить в дальнейших работах.

По словам ученых, предложенный материал они не рассматривают в качестве возможной замены, например, кремнию, однако устойчивость подобных органических полупроводниковых материалов и возможность получения из них гибких пленок делает ксилиндеин перспективным в качестве компонента носимых электронных устройств.

Возможность образования стопок из молекул по аналогичному механизму может приводить не только к увеличению электропроводности, но и повышает теплопроводность. Так, недавно именно этот эффект помог химикам впервые получить полимерный материал, который способен эффективно проводить тепло во всех направлениях примерно на порядок лучше традиционных полимеров.

Александр Дубов