В последнем номере журнала Physical Review Letters немецкие ученые сообщают о рождении нового подвида полупроводников устройств - светоизлучающих органических полевых транзисторов. "Ребеночек" получился, как поется в одной песне, "славный, но с небольшими умственными отклонениями".

Рис.1. Схематическое изображение полевого транзистора: a - структура электродов транзистора; b - вид в разрезе области с двумя соседними золотыми электродами.

Несколько лет назад на физиков-твердотельщиков обрушился едва ли не град хороших известий. Одна за другой в лучших научных журналах (Nature, Science, Physical Review Letters) появлялись статьи, посвященные успехам в работе с органическими материалами, повышению критической температуры (температуры перехода в сверхпроводящее состояние) в фуллеритах и т.п. Кузницой открытий служила всего лишь одна лаборатория, но зато какая - знаменитая на весь мир Bell Labs (исследовательский центр фирмы "Lucent Technologies"). Молодой талантливый выходец из Германии Jan Hendrick Schoen пек первоклассные работы как пирожки (за шесть лет он опубликовал около ста статей, что давало повод считать Шена самым перспективным и талантливым специалистом в области нанотехнологий в мире), и многие сотни ученых в разных странах, оставив прежнюю тематику исследований, обратились к найденной им золотой жиле. Однако, несмотря на все старания, в других лабораториях не удавалось воспроизвести результаты, полученные в Bell Labs - поневоле приходилось сделать вывод, что сочетание американского размаха с немецкой аккуратностью не оставляет конкурентам ни малейшего шанса.

Неизвестно, как долго еще продолжался бы этот нанотехнологический бум, если бы "доброжелатели" не обратили внимание сотрудников Nature и Science на удивительное сходство рисунков, опубликованных в различных статьях Шена с соавторами. Это показалось довольно подозрительным, и работу сотрудников Bell Labs подвергли тщательному изучению, для этого в Lucent Technologies была создана специальная комиссия из числа авторитетных ученых. Всплывали новые и новые подозрительные факты. Выяснилось, что многие впечатляющие эксперименты Шен единолично проводил в своей бывшей лаборатории в университете Констанца, специально прилетая туда из Соединенных Штатов. Оказалось, что он не может представить ни одного из образцов, поскольку все они "пришли в негодное состояние в процессе экспериментов". Итогом расследования стал более чем стостраничный отчет ; стало ясно, что блестящий ученый оказался на самом деле весьма способным и наглым жуликом, и все сенсационные результаты были им фальсифицированы. Разразился грандиозный скандал... Авторский коллектив из Bell Labs вынужден был прилюдно покаяться и отозвать десятки статей из лучших научных журналов - случай беспрецедентный в истории науки. Многие из столь близких, казалось, светлых песпектив "растаяли в тумане".

Рис.2. Спектр люминесценции тетраценового транзистора.

В число "закрытых открытий" попал и полимерный светоизлучающий полевой транзистор. Принцип работы полевого транзистора основан на управлении протекающим через канал (полупроводниковую пленку) током между двумя электродами (истоком и стоком) с помощью третьего электрода (затвора). Как правило, ток в полевом транзисторе переносится носителями одного знака (транзистор работает в униполярном режиме), но, в принципе, органические транзисторы могут функционировать и в амбиполярном режиме, когда через канал идет ток, обусловленный обоими типами носителей заряда (электронами и дырками). При этом в канале может происходить рекомбинация электронов и дырок, сопровождающаяся излучением света. Такой органический полевой транзистор представляет собой источник света и переключатель "в одном флаконе" (обладающий, вдобавок, еще рядом преимуществ) - это готовый "основной строительный блок" органической оптоэлектроники. Поэтому, несмотря на некоторое падение энтузиазма, научное сообщество продолжает заниматься органическими транзисторами, и эта работа дает пусть и не столь впечатляющие, но вполне реальные результаты. Словно заглаживая вину своего соотечественника, ученые из Дармштадтского технологического университета недавно сообщили о первой реализации светоизлучающего полевого транзистора на основе тетрацена [1].

Этот полевой транзистор был изготовлен следующим образом. На сильно легированную кремниевую подложку (n-типа) был нанесен слой оксида кремния, поверх которого с помощью литографии была сформированы золотые электроды На структурированную таким образом подложку нанесли тонкую пленка тетрацена (cхематическое изображение транзистора показано на рис. 1: истоком и стоком служат золотые электроды, затвором - кремниевая подложка, а каналом - тетраценовая пленка). Несмотря на то, что изготовленный полевой транзистор работал вроде бы в обычном униполярном режиме (заряд переносился дырками), исследователям удалось наблюдать электролюминесценцию (рис. 2). Причем светился транзистор и в тех условиях, когда электролюминесцении не должно бы наблюдаться. Было неясно, откуда в канале берется достаточное число электронов: в том время как инжекция дырок в канал должна происходить "легко и непринужденно", для электронов имеется достаточно высокий потенциальный барьер.

Рис.3. Изображение транзистора, полученное с помощью оптического микроскоп; буквами S (source - исток) и D (drain - сток) помечены электроды.

Нетривиальность поведения полевого транзистора можно было бы списать на приток электронов из подложки, однако исследования не подтвердили эту (и ряд других) версий. Решить загадку ученым помог ... оптический микроскоп. Рассматривая светоизлучающий транзистор, они обнаружили неоднородность свечения: оно концентрировалось вблизи стока, причем наблюдалось множество светящихся точек, а не равномерная полоса (рис.3). Наблюдение электролюминесценции только вблизи стока окончательно убивало версию о "вине" кремниевой подложки, а неоднородность свечения навела ученых на мысль о вероятной причине электролюминесцении.

Сканирующая электронная микроскопия показала, что форма электродов, формируемых с помощью электрохимической литографии, как это часто бывает, весьма неидеальна - края их вообще достаточно грубы и как бы "подъедены" снизу (на рис. 4 схематически показаны электроды и возникающие из-за их неидеальной формы прослойки воздуха между электродом и тетраценовой пленкой). В результате несовершенства "исполнения" транзистора сильное электрическое поле в областях вблизи неровностей края золотого электрода (стока) обеспечивает инжекцию электронов в тетраценовую пленку, где они и рекомбинируют с дырками (рис. 4). Так что не слишком высокое качество изготовления устройств в данном случае играет, как это ни странно, положительную роль.

Рис.4. Схема, поясняющая предполагаемый механизм работы светоизлучающего транзитора.

Пусть успех немецких ученых, продемонстрировавших первый работающий светоизлучающий транзистор, несколько "дефективен", но, во всяком случае, он вполне реален. А это означает, что перспектива вытеснения существующих сейчас комбинаций тонкопленочных транзисторов с собственно отображающей частью (жидкокристаллическими дисплеями или органическими светоизлучающими диодами) светоизлучающими органическими полевыми транзисторами (за счет простоты их изготовления, интегированности разных функций в одном устройстве и т.п.) вполне реальна.

1. Aline Hepp, Holger Heil, Wieland Weise et al. Phys.Rev.Lett., v.91, 157406 (2003).

Е.Онищенко