40

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

Kolejny

T

RIUMF

Pó∏przewodniki organiczne

to nie tylko gi´tkie wyÊwietlacze.

Mogà tak˝e pos∏u˝yç do budowy

zintegrowanych z odzie˝à

uk∏adów elektronicznych,

czujników chemicznych

czy choçby

skóry robotów

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

41

P

LASTIKU

Graham P. Collins

– wyÊwietlacze z organicznymi diodami Êwiecàcymi – tra-
fiajà na rynek, nadszed∏ czas na inne elementy systemów
informatycznych w wydaniu polimerowym. Wydaje si´,
˝e tworzywa sztuczne nigdy nie dorównajà w zakresie szyb-
koÊci i miniaturyzacji krzemowi, mogà jednak zajàç nisze
dla niego niedost´pne – praktycznie darmowe znaczniki do
systemów identyfikacji radiowej (RFID); powolne, ale po-
jemne uk∏ady rejestracji danych; wyÊwietlacze tak tanie, ˝e
w∏aÊciwie jednorazowego u˝ytku, lub takie, którymi na
przyk∏ad mo˝na opasaç s∏up oraz wszelkie uk∏ady elek-
troniczne przeznaczone do integracji z odzie˝à. Inne poten-
cjalne zastosowania przewodzàcych tworzyw sztucznych
to fotokomórki, czujniki chemiczne i materia∏y wra˝liwe na
ciÊnienie.

Podstawowà zaletà tranzystorów organicznych, w porówna-

niu z ich krzemowymi odpowiednikami, jest ∏atwoÊç wytwa-
rzania. Produkcja zaawansowanego krzemowego uk∏adu sca-
lonego trwa kilka tygodni i obejmuje z∏o˝one i kosztowne
procesy, takie jak fotolitografi´ i osadzanie kolejnych warstw
w pró˝ni, cz´sto w wysokiej temperaturze i zawsze w ultra-
czystych pomieszczeniach. Procesy produkcji tranzystorów
organicznych sà szybsze i taƒsze, a warunki mniej rygory-

styczne. Wydaje si´ wr´cz, ˝e b´dzie mo˝liwe wytwarzanie ta-
kich uk∏adów w procesie przypominajàcym druk z roli za po-
mocà maszyn rotacyjnych, co zrewolucjonizowa∏o poligrafi´.

Pó∏przewodniki organiczne

PRZEWODZ

ÑCE TWORZYWA SZTUCZNE

wykorzystywane w elektroni-

ce mo˝na z grubsza podzieliç na dwie grupy. Pierwsza obej-
muje zwiàzki o ma∏ych czàsteczkach, druga – d∏ugie, sprz´˝o-
ne polimery. Przyk∏adem zwiàzków niskoczàsteczkowych jest
pentacen zbudowany z pi´ciu po∏àczonych pierÊcieni benze-
nowych [ramka na stronie 44]. Z kolei ∏aƒcuchy polimerów ma-
jà d∏ugoÊç setek lub tysi´cy atomów w´gla. OkreÊlenie „sprz´-
˝ony” oznacza, ˝e mi´dzy atomami na przyk∏ad w´gla w
∏aƒcuchu wyst´pujà na przemian wiàzania pojedyncze i po-
dwójne, co powoduje praktycznie ca∏kowità delokalizacj´
wszystkich szeÊciu elektronów (tzw. sekstetu). PierÊcieƒ ben-
zenowy równie˝ mo˝na uznaç za przyk∏ad krótkiego, szeÊcio-
atomowego, ∏aƒcucha ze sprz´˝onymi wiàzaniami, który jest za-
mkni´ty w p´tl´. Ale model u∏o˝onych na zmian´ pojedynczych
i podwójnych wiàzaƒ nie oddaje precyzyjnie natury tych mole-
ku∏, poniewa˝ elektrony z wiàzaƒ podwójnych ulegajà deloka-
lizacji, czyli inaczej mówiàc, przynale˝à do kilku atomów, a
nie tylko dwóch sàsiadów po∏àczonych wiàzaniem.

Przypomina to sytuacj´, którà znamy z metali i pó∏prze-

wodników. Zdelokalizowane elektrony mogà zajmowaç tyl-
ko stany o ÊciÊle okreÊlonej energii, zgrupowane w pasma o
skoƒczonej pojemnoÊci. Ca∏kowicie zape∏nione pasmo, któ-
re le˝y najwy˝ej w skali energetycznej, jest nazywane pasmem
walencyjnym. Sàsiadujàce z nim pasmo odpowiadajàce sta-
nom o wi´kszej energii to pasmo przewodnictwa.

Zwiàzki o ma∏ych czàsteczkach, takie jak pentacen, przewo-

dzà w stanie czystym i w postaci kryszta∏ów lub cienkich warstw
mo˝na je od razu wykorzystywaç w strukturach. Inaczej jest z
d∏ugimi polimerami, które w stanie czystym sà z∏ymi przewod-
nikami. W ich przypadku pasmo walencyjne jest ca∏kowicie za-
pe∏nione elektronami, co nie pozwala na przep∏yw pràdu. Elek-
trony nie mogà zmieniç stanu, poniewa˝ nie ma ju˝ ˝adnych
wolnych miejsc w paÊmie. Puste stany w paÊmie przewodnictwa
oddziela zbyt wysoka energia i dlatego nie sà dost´pne.

42

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

LEONARD GRETZ (

popr

zednie str

ony

)

n

Tworzywa sztuczne ju˝ od dawna stanowià szkielet i pow∏ok´

wielu produktów, których mózgiem jest krzem. Wraz z nadejÊciem
ery polimerowej i krystalicznej elektroniki, b´dzie z nich mo˝na
równie˝ wytwarzaç obudowy i mózgi urzàdzeƒ.

n

Plastikowe uk∏ady scalone mogà nigdy nie byç tak szybkie

ani tak ma∏e, jak krzemowe, ale ∏atwoÊç ich wytwarzania
– na przyk∏ad druk atramentowy – daje nadziej´ na produkcj´
bardzo tanich elementów, które znajdà zastosowanie
w sprz´cie powszechnego u˝ytku.

n

Potencjalne zastosowania to m.in. wyÊwietlacze w urzàdzeniach

ró˝nego typu i komputerach, papier elektroniczny, znaczniki
identyfikacji radiowej, urzàdzenia elektroniczne zintegrowane
z odzie˝à, czujniki chemiczne i wra˝liwa na ró˝nice
ciÊnienia skóra robotów humanoidalnych.

Przeglàd /

Plastikowa elektronika

Od niedawna wytrzyma∏e, elastyczne, lekkie i tanie tworzywa sztucz-

ne mogà pe∏niç ca∏kiem nowà dla siebie funkcj´ – pó∏przewodni-

kowych diod i tranzystorów w plastikowych uk∏adach scalonych. Teraz,

kiedy pierwsze wykorzystujàce plastikowà elektronik´ produkty

Mo˝na to zmieniç dzi´ki domieszkowaniu, czyli wprowadza-

niu obcych atomów. Dostarczajà one dodatkowych elektronów,
które zajmujà miejsce w paÊmie przewodnictwa albo wycià-
gajà elektrony z pasma walencyjnego, pozostawiajàc w nim
dziury. W obydwu przypadkach umo˝liwia to przep∏yw pràdu
na skutek ruchu elektronów w niemal pustym paÊmie przewod-
nictwa albo dziur w paÊmie walencyjnym. (Dla dziury pasmo wa-
lencyjne te˝ jest niemal puste: ka˝dy elektron mo˝e wskoczyç w
miejsce dziury, powodujàc jej przemieszczenie).

Mo˝liwoÊç domieszkowania sprz´˝onych polimerów w ce-

lu uzyskania przewodnictwa odkryli w latach siedemdziesià-
tych Alan J. Heeger (obecnie pracujàcy w University of Cali-
fornia w Santa Barbara), Alan G. MacDiarmid (obecnie z
University of Pennsylvania), Hideki Shirakawa (obecnie z
Uniwersytetu w Tsukubie w Japonii) oraz ich wspó∏pracow-
nicy. Heeger, MacDiarmid i Shirakawa za to osiàgni´cie otrzy-
mali w roku 2000 Nagrod´ Nobla w dziedzinie chemii. Uda-
∏o si´ im domieszkowaç poliacetylen, poddajàc go w ró˝nych
eksperymentach dzia∏aniu chloru, bromu i jodu.

Przewodzàce tworzywa sztuczne znalaz∏y ju˝ wiele zasto-

sowaƒ nie tylko w obwodach elektronicznych. Sà u˝ywane
jako inhibitory korozji, ekrany elektromagnetyczne w uk∏a-
dach elektronicznych, warstwy antystatyczne na emulsjach
fotograficznych oraz absorbujàce mikrofale pow∏oki, które
czynià pokryte nimi obiekty niewidocznymi dla radarów.

Drukowanie tranzystorów

CIENKIE WARSTWY

ma∏oczàsteczkowych pó∏przewodników or-

ganicznych naj∏atwiej otrzymaç metodà naparowywania: w za-
mkni´tej – opró˝nionej z gazów lub wype∏nionej gazem obo-
j´tnym – komorze wytwarza si´ pary zwiàzku, które nast´pnie
kondensujà na pod∏o˝u w postaci warstwy. Podobnà metod´
wykorzystuje si´ przy wytwarzaniu wielu popularnych produk-
tów – pow∏okà, która blokuje dyfuzj´ tlenu przez plastikowà
foli´, pokrywa si´ na przyk∏ad torebki na chipsy.

Warstwy polimerowe mo˝na otrzymywaç wieloma tech-

nikami. Jednà z nich jest zastosowanie wirówek – niewielkà
iloÊç roztworu zawierajàcego polimer lub jego prekurso-
ry nanosi si´ na szybko obracajàce si´ pod∏o˝e, co daje jed-
norodnà warstw´. Mo˝na na niej wytrawiaç uk∏ad po∏àczeƒ
przeniesiony technikà fotolitografii, jak w przypadku klasycz-
nych pó∏przewodników nieorganicznych, nadrukowywania
lub nacinania. (Niektórzy badacze do otrzymania warstwy
pentacenu stosujà tak˝e wirówki).

Inaczej ni˝ w przypadku pozosta∏ych tworzyw sztucznych

u˝ywanych w przemyÊle nie ma odpowiednich rozpuszczal-
ników organicznych do polimerów przewodzàcych. Na przy-
k∏ad polietylenodioksytiofen (PEDOT) osadza si´ zwykle
z kwaÊnych roztworów wodnych, które mogà wywo∏ywaç ko-
rozj´. W kwietniu firma TDA Research z Wheat Ridge w Ko-
lorado poinformowa∏a o odkryciu nowego prekursora PEDOT
– nazwano go oligotronem – który rozpuszcza si´ w niewywo-
∏ujàcych korozji rozpuszczalnikach organicznych. OÊwietle-
nie ciek∏ego prekursora ultrafioletem inicjuje ∏àczenie si´ czà-
steczek i powstanie nierozpuszczalnej fazy sta∏ej. Umo˝liwi to
nanoszenie w wirówce warstwy ciek∏ego oligotronu, a na-
st´pnie tworzenie odpowiedniego uk∏adu po∏àczeƒ przez na-
Êwietlenie ultrafioletem przez mask´.

Alternatywnym rozwiàzaniem jest stosowanie maszyn przy-

pominajàcych drukarki atramentowe i utrwalanie nadruku

za pomocà promieniowania ultrafioletowego. W tym przy-
padku kolorowe tusze zast´puje roztwór polimeru lub jego
prekursora. Na razie testy przeprowadzono tylko z ma∏à roz-
dzielczoÊcià – tà metodà nie wykonano jeszcze ˝adnych przy-
rzàdów elektronicznych.

RozpuszczalnoÊç oligotronu uzyskano dzi´ki do∏àcze-

niu odpowiednich grup na koƒcach monomerów PEDOT.
Mo˝na oczekiwaç, ˝e zmiany zakoƒczenia czàsteczek pozwo-
là modyfikowaç w∏aÊciwoÊci oligotronu. I niewykluczone, ˝e
pewna jego odmiana b´dzie si´ nadawaç do wytwarzania
ogniw s∏onecznych.

Adaptacjà technologii druku atramentowego do wytwarza-

nia obwodów elektronicznych zajmuje si´ kilka firm. Swoje
osiàgni´cia zaprezentowa∏o ju˝ PARC (Palo Alto Research
Center – niegdyÊ jeden z oddzia∏ów Xeroxa). W 2003 roku
otrzymano tam technologià druku atramentowego pierwszà
matryc´ „plastikowych” tranzystorów pó∏przewodników [ilu-
stracja powy˝ej]. Tranzystory by∏y wi´ksze i wolniejsze ni˝
ich krzemowe odpowiedniki. Uzyskano jednak ruchliwoÊç

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

43

P

ARC (

na gór

ze

); ANA ARIAS

PA

R

C

(na dole

)

MATRYCE PLASTIKOWYCH TRANZYSTORÓW wykonane technikà dru-
ku atramentowego w Palo Alto Research Center (PARC). Na ilustracji
u do∏u widaç 12 tranzystorów matrycy. Kropki majà Êrednice oko∏o
40

µ

m. Naukowcy wykorzystali atrament oparty na pó∏przewodniko-

wym polimerze, który opracowa∏ Beng Ong z Xerox Research Center w
Kanadzie. Tranzystory te nadajà si´ do zastosowania w wyÊwietlaczach
z aktywnà matrycà, papierze elektronicznym i innych aplikacji.

0.1 cm

2

/Vs – tylko rzàd mniejszà ni˝ w przypadku amorficzne-

go krzemu, który jest powszechnie u˝ywany w komputero-
wych wyÊwietlaczach ciek∏okrystalicznych. (RuchliwoÊç to
parametr, którym si´ okreÊla, jak ∏atwo noÊniki, np. elektro-
ny, poruszajà si´ w danym materiale. Czynnik 10 to stosunko-
wo niewielka ró˝nica – ruchliwoÊç w krzemie amorficznym
jest 1000 razy mniejsza ni˝ w krzemie krystalicznym).

Koncerny Dow, Motorola i Xerox wesz∏y w porozumienie,

którego celem jest opracowanie atramentów polimerowych
oraz doskonalenie technik druku. Podobne alianse utworzy-
∏y DuPont i Lucent Technologies oraz Universal Display Cor-
poration i Sarnoff.

W 2003 roku, podczas konferencji Society for Information

Display, firma Plastic Logic zaprezentowa∏a przyrzàd, który
pretenduje do miana pierwszego plastikowego, wykonanego
technologià druku atramentowego wyÊwietlacza z aktywnà
matrycà. (W wyÊwietlaczach z aktywnà matrycà ka˝dym pik-
selem steruje osobny tranzystor). WyÊwietlacz na pod∏o˝u
ze szk∏a o rozmiarach 63 na 48 pikseli i powierzchni oko∏o
2.5 cm

2

by∏ oparty na technologii elektronicznego papieru,

opracowanej przez wydzielonà z Xeroxa firm´ Gyricon. Pla-
stic Logic i Gyricon dà˝à teraz do zwi´kszenia rozmiarów
wyÊwietlacza, jego zdolnoÊci rozdzielczej i zastosowania gi´t-
kiego pod∏o˝a z tworzywa sztucznego.

Na razie technologia druku atramentowego nie umo˝liwia

jeszcze wykonania tranzystorów równie ma∏ych i g´sto upako-
wanych jak najlepsze nieorganiczne uk∏ady scalone. Jednak w
po∏owie 2003 roku naukowcy z Cornell University, korzystajàc
z elektronolitografii, wykazali, ˝e na warstwie z pentacenu mo˝-
na wykonaç poprawnie dzia∏ajàcy tranzystor z bramkà szeroko-
Êci zaledwie 30 nm, czyli bliskiej szerokoÊci bramek dzisiejszych
tranzystorów krzemowych. (Bramka to miejsce, przez które
przep∏ywa – lub nie – pràd i w którym zachodzi prze∏àczanie).
WczeÊniejsze próby miniaturyzacji cienkowarstwowych tran-

zystorów organicznych utkn´∏y na granicy 100 nm. Poni˝ej tej
wartoÊci parametry ulega∏y wyraênemu pogorszeniu. Elektro-
nolitografia jest drogà technologià i nie nadaje si´ do komer-
cyjnego wytwarzania elementów, ale wa˝ne, ˝e naukowcy z
Cornell udowodnili mo˝liwoÊç uzyskania takich przyrzàdów.

Kolejnym problemem z elektronikà organicznà jest brak

odpowiednich materia∏ów, które pozwala∏aby na wykonanie
tranzystorów z kana∏em typu p i typu n w jednej strukturze,
co jest niezb´dne do przeniesienia na ten grunt technologii
CMOS stosowanej do wytwarzania wspó∏czesnych mikropro-
cesorów. (W pó∏przewodniku typu p pràd p∏ynie dzi´ki dziu-
rom, a w pó∏przewodniku typu n dzi´ki elektronom).

Innym powa˝nym utrudnieniem jest wra˝liwoÊç wielu poli-

merów, które mo˝e zniszczyç zbyt du˝a wilgotnoÊç lub obecny
w powietrzu tlen. OczywiÊcie t´ wad´ mo˝na obejÊç, pokrywa-
jàc elementy aktywne warstwami nieprzepuszczalnymi dla po-
wietrza i wody, ale komplikuje to produkcj´ i powoduje utra-
t´ najwi´kszych zalet, którymi sà niewielka gruboÊç i gi´tkoÊç.

Nastàpi∏ pewien post´p w wytwarzaniu trwalszych materia-

∏ów. W kwietniu Beng Ong z Xerox Research Center w Ka-
nadzie oznajmi∏, ˝e opracowa∏ atrament na bazie politiofe-
nu, który nie jest wra˝liwy na tlen – nie wymaga specjalnej
oboj´tnej atmosfery.

Inny trwa∏y materia∏ hybrydowy opracowa∏ David Bocian z

University of California w Riverside. W listopadzie 2003 roku je-
go zespó∏ doniós∏, ˝e czàsteczki organiczne zwane porfiryna-
mi, zbudowane z ∏aƒcuchów i pierÊcieni w´glowych (pierÊcieni
pirolowych po∏àczonych mostkami w´glowymi), mogà wiàzaç
si´ do utlenionej powierzchni krzemu. Porfiryny wytrzymywa-
∏y przez pó∏ godziny dzia∏anie temperatury si´gajàcej 400°C.

Jednym ze sposobów unikni´cia zniszczenia delikatnych or-

ganicznych cz´Êci urzàdzenia podczas produkcji jest oddziele-
nie w procesie technologicznym etapu wytwarzania cz´Êci or-
ganicznych od pozosta∏ych. Metod´ takà zaprezentowa∏ w marcu

44

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

L

UCY READING

PRZEWODZÑCE PLASTIKI

ELEKTRONIKA ORGANICZNA opiera si´ na
dwóch grupach zwiàzków chemicznych:
zwiàzkach niskoczàsteczkowych (na górze) i
polimerach zawierajàcych ∏aƒcuchy sprz´˝onych
wiàzaƒ wielokrotnych (poÊrodku). (Ka˝da li-
nia na schemacie symbolizuje po∏àczenie
mi´dzy dwoma atomami w´gla. Po∏àczenia z
atomami wodoru nie sà uwidocznione). Elek-
trony nale˝àce do tych wiàzaƒ ulegajà delo-
kalizacji, czyli przynale˝à do wielu atomów.
Konsekwencjà jest powstanie pasm energe-
tycznych skupiajàcych stany dost´pne dla
elektronów (na dole). W∏aÊciwoÊci elektrycz-
ne danego materia∏u zale˝à od wype∏nienia
tych pasm. W przypadku polimerów pasmo
walencyjne jest ca∏kowicie zape∏nione, co de-
cyduje, ˝e sà one izolatorami jak wi´kszoÊç
tworzyw sztucznych. Odpowiednie domiesz-
kowanie pozwala „wrzuciç” elektrony do
pasma przewodnictwa albo „wyciàgnàç” je
z pasma walencyjnego, umo˝liwiajàc prze-
p∏yw pràdu. Zwiàzki niskoczàsteczkowe
sà pó∏przewodnikami ju˝ w stanie czystym.

Ma∏a czàsteczka (pentacen)

Domieszkowany polimer

Dalszy ciàg ∏aƒcucha

Elektron

Elektron

Pasmo
przewodnictwa

Pasmo
przewodnictwa

Pasmo
walencyjne

Pasmo
walencyjne

Energia

Energia

Jon sodu

D∏ugi polimer (poliacetylen)

Izolator

Przewodnik

Pentacen z widocznymi
zdelokalizowanymi elektronami

John Rogers z University of Illinois oraz jego wspó∏pracowni-
cy z Lucent i Rutgers University. Elektrody ze z∏ota naparowa-
li oni na elastyczne pod∏o˝e z gumy. Dociskajàc otrzymany w ten
sposób stempel do du˝ego, wysokiej jakoÊci kryszta∏u rubrenu,
otrzymali tranzystor. (Czàsteczka rubrenu jest zbudowana z
czterech po∏àczonych w ∏aƒcuch pierÊcieni benzenowych z czte-
rema kolejnymi do∏àczonymi z boku niczym dwie pary skrzyde∏).
Takie rozwiàzanie nie nara˝a kryszta∏u organicznego na kraƒ-
cowo niekorzystne warunki podczas nak∏adania elektrod i w
konsekwencji zapobiega jego zniszczeniu.

Zespó∏ Rogersa zaobserwowa∏ rekordowà ruchliwoÊç – si´-

gajàcà 15 cm

2

/Vs – wi´kszà ni˝ kiedykolwiek wczeÊniej zmie-

rzona dla tranzystora organicznego. Niewykluczone, ˝e techno-
logia znajdzie zastosowania komercyjne, chocia˝ opracowano
jà w celach badawczych. Naukowcy z ∏atwoÊcià przenosili
stempel z miejsca na miejsce. Zmiana orientacji elektrod po-
zwoli∏a zaobserwowaç zale˝noÊç mi´dzy ruchliwoÊcià a kie-
runkiem przep∏ywu pràdu – zjawisko od dawna oczekiwane
w pó∏przewodnikach organicznych, którego jednak nigdy
wczeÊniej nie uda∏o si´ tak przekonujàco zademonstrowaç.

WyÊwietlacze i systemy identyfikacji radiowej

PÓ

¸PRZEWODNIKI ORGANICZNE

z regu∏y charakteryzuje ni˝sza

ruchliwoÊç ni˝ zwiàzki nieorganiczne, co w przyrzàdach ozna-
cza mniejszà szybkoÊç prze∏àczania. Prawdopodobnie da si´
zwi´kszyç cz´stoÊç zegara do kilkuset kiloherców, ale w prze-
widywalnej przysz∏oÊci nie nale˝y oczekiwaç organicznych
uk∏adów gigahercowych. Jednak˝e dost´pne cz´stoÊci w zu-
pe∏noÊci wystarczà do sterowania wyÊwietlaczami.

Na rynku znalaz∏y si´ ju˝ produkty wyposa˝one w pierwsze,

niezbyt doskona∏e jeszcze wyÊwietlacze z tworzyw sztucz-
nych. Przyk∏adem jest pi´ciocentymetrowy ekran podglàdu
w cyfrowym aparacie fotograficznym Kodaka lub te˝ sygna-
lizator na∏adowania akumulatora w golarce produkowanej
przez Philipsa. Diody Êwiecàce wykonane z obydwu typów
zwiàzków organicznych – niskoczàsteczkowych i wysokoczà-
steczkowych polimerów – mo˝na z powodzeniem stosowaç
jako piksele wyÊwietlacza, co jest nieop∏acalne w przypadku
diod nieorganicznych. Tranzystory sterujàce pikselami rów-
nie˝ mo˝na wytwarzaç z plastikowych pó∏przewodników
[patrz: Webster E. Howard „Gi´tkie wyÊwietlacze”; Âwiat
Nauki, marzec 2004].

Kolejne zastosowanie to papier elektroniczny – odmiana

ekranu, który sam nie Êwieci, a tylko w ró˝ny sposób odbija
Êwiat∏o dzi´ki malutkim kuleczkom lub mikrokapsu∏kom zmie-

niajàcym orientacj´ lub barw´ [patrz: Steve Ditlea „W pogo-
ni za elektronicznym papierem”; Âwiat Nauki, styczeƒ 2002].
Sztywne odmiany e-papieru sà ju˝ u˝ywane do wyÊwietlania
stale aktualizowanych informacji w domach towarowych. W
lutym firma Polymer Vision, nale˝àca do holenderskiego kon-
cernu Royal Philips Electronics, zademonstrowa∏a prototy-
powe urzàdzenie, które ∏àczy zalety e-papieru opracowanego
przez E Ink z Massachusetts i gi´tkiego pod∏o˝a gruboÊci
kartki papieru zawierajàcego 80 tys. tranzystorów organicz-
nych. Powsta∏ w ten sposób prostokàtny wyÊwietlacz o prze-
kàtnej 12.5 cm. Dzi´ki temu, ˝e jest zaledwie trzy razy grub-
szy od kartki papieru, mo˝na go zwinàç w rulon o Êrednicy
5 cm. Philips zaprezentowa∏ równie˝ mniejszà wersj´, o ni˝-
szej rozdzielczoÊci, która po zwini´ciu ma Êrednic´ 4 cm [ilu-
stracja poni˝ej]. Uk∏ad elektroniczny wyÊwietlacza wykona-
no z plastiku w wyjàtkiem kilku bardzo cienkich Êcie˝ek ze
z∏ota. To pierwszy gi´tki wyÊwietlacz, który ma wejÊç do pro-
dukcji seryjnej; obecnie firma Polymer Vision wytwarza sto
sztuk tygodniowo.

Plastikowa elektronika mo˝e te˝ wkrótce pojawiç si´ na

rynku pod postacià znaczników przeznaczonych do syste-
mów identyfikacji radiowej (RFID). Elementy takie wypro-
dukowane z metalu i krzemu sà ju˝ u˝ywane chocia˝by w
systemach automatycznego pobierania op∏at. Kiedy samo-
chód wje˝d˝a na parking obj´ty takim systemem, czytnik wy-
sy∏a sygna∏ radiowy, który aktywuje chip znajdujàcy si´ w
karcie na przedniej szybie samochodu. W odpowiedzi karta
podaje sygna∏ identyfikujàcy samochód, co pozwala pobraç

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

45

RO

Y

AL PHILIPS ELECTRONICS

Niewielkie szybkoÊci prze∏àczania
charakterystyczne dla pó∏przewodników
organicznych sà a˝ nadto wystarczajàce
do sterowania wyÊwietlaczami.

E-PAPIER o rozdzielczoÊci 85 pikseli na cal, opracowany w Laboratoriach
Philipsa, mo˝na zwijaç w rulon o Êrednicy 4 cm. Zastosowane w nim
tranzystory cienkowarstwowe z pentacenu wytwarza si´ w temperaturze
pokojowej, wykorzystujàc jego ciek∏y roztwór. Ich szybkoÊç umo˝liwia
prac´ w wyÊwietlaczach wideo.

op∏at´ z odpowiedniego konta. Obecnie cena krzemowych
znaczników RFID to oko∏o 25 centów. Nie przeszkadza ona
w wykorzystaniu znaczników w systemach p∏atniczych, ale
jest zbyt wysoka do innych przewidywanych zastosowaƒ, na
przyk∏ad znakowania produktów w hipermarkecie w celu bie-
˝àcej kontroli zapasów i szybszego wystawiania rachunku
dla klienta. Cena plastikowych znaczników RFID nie powin-
na przekraczaç jednego centa, co pozwoli∏oby zastàpiç nimi
powszechne dziÊ kody paskowe [patrz: Roy Want „RFID: klucz
do automatyzacji Êwiata”; Âwiat Nauki, luty 2004 oraz Ste-
ven Ashley „RFID za grosze”, strona 16].

Poza diodami Êwiecàcymi w wyÊwietlaczach i chipami

RFID uk∏ady organiczne mogà mieç i inne zastosowania. W
grudniu 2003 roku, podczas dorocznej konferencji Internatio-

nal Electron Devices Meeting (IEDM), badacze z Ifineonu
pokazali na przyk∏ad dwa ró˝ne typy uk∏adów pami´ciowych
z polimerów organicznych. Jednym z nich by∏a pami´ç trwa-
∏a, czyli taka, której zawartoÊç nie znika po wy∏àczeniu zasi-
lania. Naukowcy z Infineonu wykazali, ˝e opracowane przez
nich uk∏ady mogà przechowywaç dane przez czas nie krótszy
ni˝ rok, a zastosowany materia∏ pozwala na wykonanie w
strukturze elementów o rozmiarach zaledwie 20 nm.

Drugi z uk∏adów to pami´ç dynamiczna o dost´pie swo-

bodnym (DRAM), której ka˝da komórka odpowiadajàca bi-
towi by∏a zbudowana z tranzystora i kondensatora. Elemen-
ty struktury mia∏y rozmiary oko∏o 140 nm. Pami´ç DRAM
wykonano udoskonalonà technikà nanoszenia warstw w wi-
rówkach i nowego polimeru odpornego nawet na tempera-
tur´ przekraczajàcà 450°C, czyli o wiele wy˝szà ni˝ ta, którà
wytrzymuje wi´kszoÊç przewodzàcych polimerów.

Przewodzàce tworzywa sztuczne mogà te˝ znaleêç zastoso-

wanie w zupe∏nie innych przyrzàdach – czujnikach chemicz-
nych. Obecnie urzàdzenia te sà budowane z wielu elektrod
pokrytych kompozytami, na przyk∏ad mieszankà polimerów
i sadzy w´glowej. Ka˝dà elektrod´ pokrywa si´ innym rodza-
jem polimeru, który reaguje na ró˝ne gazy we w∏aÊciwy dla
siebie sposób, absorbujàc je w mniejszej lub wi´kszej iloÊci.
W rezultacie polimer puchnie, co zmienia przewodnictwo
zwiàzane z obecnoÊcià drobin sadzy. Charakterystyczne zmia-
ny obserwowane dla wielu polimerów stanowià podstaw´ do
identyfikacji gazu.

Podobne efekty mo˝na uzyskaç, zast´pujàc zawierajàce sa-

dz´ kompozyty polimerami, które sà przewodnikami lub pó∏-
przewodnikami. Dzia∏anie czujników z polimerami prze-
wodzàcymi sprowadza si´ do rejestracji zmian oporu
elektrycznego. Inna mo˝liwoÊç to zastosowanie polimeru w
kondensatorze lub tranzystorze polowym, których charakte-
rystyki b´dà zmieniaç si´ na skutek absorpcji gazu. Czujniki
z przewodzàcymi tworzywami sztucznymi majà wi´kszà czu-
∏oÊç ni˝ ich starsze odpowiedniki kompozytowe, chocia˝by

46

ÂWIAT NAUKI WRZESIE¡ 2004

T

AKAO SOMEY

A

Uniwersytet T

okijski

WRA˚LIWA NA NACISK „SKÓRA”, którà opracowali Takao Someya i
jego wspó∏pracownicy z Uniwersytetu Tokijskiego, stwarza szans´ wypo-
sa˝enia robotów w zmys∏ dotyku. Pojedyncze matryce sà kwadratami o
boku 3 mm. Chcàc pokryç wi´ksze powierzchnie, mo˝na je z ∏atwoÊcià
∏àczyç, nak∏adajàc elektrody na kraw´dzie i mocujàc taÊmà klejàcà. Tran-
zystory wspó∏pracujàce z matrycà czujników wykonano z pentacenu.

dlatego ˝e tranzystory wzmacniajà reakcj´ polimeru. Odpo-
wiedê czujnika zale˝y od szczegó∏ów budowy tranzystora oraz
zastosowanego w nim polimeru. W 2001 roku Ananth Doda-
balapur (obecnie pracujàcy w University of Texas w Austin) i
jego wspó∏pracownicy po raz pierwszy zademonstrowali dzia-
∏anie czujników opartych na cienkowarstwowych tranzysto-
rach organicznych. ˚aden z czujników nie jest jeszcze do-
st´pny na rynku. Obecnie Dodabalapur zajmuje si´ badaniem
nanoczujników chemicznych. Odkry∏ on, ˝e czujniki z tran-
zystorami o szerokoÊci bramki 10 nm wykazujà znacznie
wi´kszà czu∏oÊç ni˝ wi´ksze elementy.

Marynarka z w∏ókien elektronicznych

CZUJNIKI

takie mo˝na by umieszczaç bezpoÊrednio w tkani-

nie, z której szyje si´ odzie˝. W 2003 roku podczas konferen-
cji IEDM Vivek Subramanian i jego wspó∏pracownicy z Uni-
versity of California w Berkeley pokazali, jak umieÊciç
tranzystory bezpoÊrednio we w∏óknach. (Ten sam zespó∏ pra-
cuje równie˝ nad czujnikami chemicznymi). Tranzystory wy-
twarzano z wielu materia∏ów, w tym z w∏ókien aluminiowych
i kontaktów ze z∏ota. Ich kana∏y – obszary, w których dokonu-
je si´ prze∏àczania – wykonano z pentacenu o ruchliwoÊci
0.05 cm

2

/Vs. Tranzystory umieszczano w miejscu krzy˝owa-

nia si´ w∏ókien tkaniny. Ca∏y proces produkcji polega na do-
dawaniu kolejnych sk∏adników – najpierw u∏o˝eniu w∏ókien,
a potem osadzaniu na nich warstw. Poniewa˝ nie wytrawia si´
Êcie˝ek za pomocà litografii, ∏atwo zwi´kszyç skal´ procesu
i objàç nim du˝e powierzchnie.

Chocia˝ do odizolowania bramek tranzystorów u˝yto sztyw-

nego tlenku, tkanin´ mo˝na zwijaç w rulon o Êrednicy 15 cm,
nie pogarszajàc znaczàco parametrów. Zastàpienie go gi´t-
kim izolatorem organicznym powinno umo˝liwiç zwi´kszenie
krzywizny.

¸atwo wyobraziç sobie tkaniny z w∏ókien elektronicznych,

których w∏aÊciwoÊci b´dzie mo˝na kontrolowaç: zmiana ko-
loru u∏atwi maskowanie albo wyÊwietlanie informacji, zmia-
na porowatoÊci – dostosowanie do iloÊci wydzielanego potu,
a inne cechy – regulacj´ przewodnictwa cieplnego, czyli czy
b´dzie grzaç, czy ch∏odziç. Komputery, które dos∏ownie za∏o-
˝ymy na siebie, b´dà monitorowaç najwa˝niejsze parametry
organizmu lub stan otaczajàcego Êrodowiska. G´sta sieç w∏ó-
kien umo˝liwi przewodzenie sygna∏ów, z pomini´ciem miejsc,
które na przyk∏ad uleg∏y rozdarciu.

Zrealizowanie tego wszystkiego wymaga jeszcze olbrzymiej

pracy. Trzeba zaczàç od tego, ˝e tranzystory muszà byç
wytrzymalsze – odporne na zginanie i rozciàganie materia∏u.
W przewidywanych zastosowaniach nie wymaga si´ jednak od
tranzystorów wyÊrubowanych parametrów.

Je˝eli kogoÊ nie zainteresujà skomputeryzowane ubrania,

to mo˝e zaciekawi go elektroniczna skóra? W listopadzie 2003

roku Takao Someya i jego wspó∏pracownicy z Uniwersytetu
Tokijskiego poinformowali o zastosowaniu tranzystorów z pen-
tacenu we wra˝liwej na ciÊnienie skórze zdolnej do zapew-
nienia robotom zmys∏u dotyku [ilustracja na poprzedniej
stronie]. Elementem czu∏ym na ciÊnienie jest zawierajàcy dro-
biny w´gla i gum´ kompozyt, który zmienia opór w zale˝no-
Êci od wywieranego naƒ nacisku. Zmiany oporu powodujà
prze∏àczanie znajdujàcych w g∏´bi tranzystorów. Zespó∏ opra-
cowa∏ na razie matryce 16 na 16 elementów umieszczone na
kwadracie o boku 3 mm, które wspó∏pracujà z tranzystorami
umo˝liwiajàcymi odczyt sygna∏ów z wierszy i kolumn.

Aby pokryç wi´kszà powierzchni´, mo˝na matryce po∏à-

czyç. Wystarczy na∏o˝yç na siebie wyprowadzenia elektrod
umieszczone na kraw´dziach i zamocowaç ca∏oÊç taÊmà kle-
jàcà. Nie ma jednak ˝adnych przeszkód, aby wytwarzaç ma-
tryce o wi´kszych rozmiarach. Ca∏à struktur´ wykonano z
polimerów i pentacenu, nie liczàc elektrod ze z∏ota i miedzia-
nej pow∏oki na warstwie kompozytu w´giel-guma. Matryce
mo˝na zginaç, osiàgajàc promieƒ krzywizny nawet 5 mm,
co w zupe∏noÊci wystarcza, aby umieÊciç je nawet na szczu-
p∏ych palcach. Wadà obecnego rozwiàzania jest ma∏a sta-
bilnoÊç tranzystorów – po kilku dniach czu∏oÊç czujników
s∏abnie. Idealnie ich trwa∏oÊç powinna wynosiç kilka miesi´-
cy lub lat. Inny problem to wysokie napi´cie zasilania – 40 V
– które badacze chcà obni˝yç do 10 V.

Roboty wcià˝ trudno spotkaç poza halami przemys∏owy-

mi, pracowniami hobbystów i sklepami z zabawkami (np. Aibo
– skonstruowany w firmie Sony robot pies). Europejska Komi-
sja Gospodarcza ONZ szacuje, ˝e do koƒca roku 2002 sprze-
dano na Êwiecie zaledwie 50 tys. robotów przeznaczonych
dla gospodarstw domowych (g∏ównie do kosiarek do trawni-
ków i odkurzaczy). JednoczeÊnie przewiduje, ˝e liczba ta
wzroÊnie dziesi´ciokrotnie do koƒca 2006 roku. Wraz z ro-
botami b´dzie si´ pojawiaç wokó∏ nas coraz wi´cej inteligent-
nych urzàdzeƒ mrugajàcych kolorowymi wyÊwietlaczami i
naszpikowanych czujnikami. Kiedy nadejdzie era wsz´dobyl-
skich, interaktywnych maszyn, organiczne uk∏ady elektro-
niczne odegrajà w niej kluczowà rol´.

n

WRZESIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

47

Flexible Active-Matrix Displays and Shift Registers Based on Solution-
Processed Organic Transistors. Gerwin H. Gelinck i in.; Nature Mate-

rials, tom 3, nr 2, s. 106-110; II/2004.

Elastomeric Transistor Stamps: Reversible Probing of Charge Transport

in Organic Crystals. Vikram C. Sundar i in.; Science, tom 303, s. 1644-
-1646; 12 III 2004.

Plastic Electronics. Dago de Leeuw; Physics World, tom 12, nr 3, s. 31-

-34; III/1999.

Polymer Diodes. Richard Friend, Jeremy Burroughes i Tatsuya Shimo-

dasome; Physics World, tom 12, nr 6, s. 35-40; VI/1999.

Informacje o Nagrodzie Nobla z chemii w roku 2000:

www.nobel.se/chemistry/laureates/2000/public.html

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

Mo˝na sobie wyobraziç tkaniny,
których kolor b´dzie mo˝na dowolnie
zmieniaç, na przyk∏ad w celu
wyÊwietlenia informacji.