Polümeerelektroonika

Polümeerelektroonika ehk orgaaniline elektroonika (inglise keeles organic electronics, plastic electronics, polymer electronics) on elektroonika valdkond, mis tegeleb elektrit juhtivate polümeeride kasutamisega elektroonikakomponentide valmistamiseks Polümeerid võivad olenevalt keemilisest ehitusest olla elektriliselt juhtivad, pooljuhtivad või mittejuhtivad. Mittejuhtivaid polümeere on elektrotehnikas kasutatud juhtmete ja kaablite isoleermaterjalina juba alates 20. sajandi algusest. Orgaaniliste ühendite elektrijuhtivust hakati uurima 1970. aastatel. Teatav läbimurre toimus 1977. aastal, kui ilmus artikkel keemiliselt dopeeritud polümeeri polüatsetüleeni kohta. 1980. aastatel tehti mitmeid olulisi avastusi doteerimata orgaaniliste pooljuhtide alal, seejuures nii polümeeride kui ka nn väikeste molekulide (väikese molekulmassiga orgaaniliste ühendite) valdkonnas. Nende uurimistulemuste taustal hakkas firma Eastman Kodak Company valmistama elektroluminestseerivaid komponente vaakumis sublimeeritud väikeste molekulide õhukestest kihtidest. Järgmistel aastatel hakati tootma polütiofeenist orgaanilisi väljatransistore (ingl organic field-effect transistor, OFET). Aastal 1990 avastasid Cambridge'i Ülikooli uurijad elektroluminestsentsi konjugeeritud polümeeridest valmistatud valgusdioodidel (OLED). Samal aastal jõuti polümeeride ja fullereenide segul põhinevate fotogalvaaniliste rakenduste – päikeseelementide – väljatöötamiseni. Elektrit juhtiva polümeeri avastamise eest pälvisid 2000. aasta Nobeli keemiaauhinna Alan Heeger, Alan MacDiarmid ja Hideki Shirakawa. Siitpeale tuligi laiemalt kasutusele termin "polümeerelektroonika". Teadmine, et polümeere saab kasutada elektrit juhtiva aktiivmaterjalina optoelektrooniliste komponentide valmistamiseks, stimuleerisid nii akadeemilisi kui ka tööstuslikke uuringuid. Tulemusena töötati välja masstootmiseks kohane tehnoloogia (ingl roll-to-roll processing, R2R-menetlus) elektroonikalülituste valmistamiseks printimise teel suurepinnalisele plast- või metallkilele (tavalistes kiipides on substraadiks ehk aluspinnaks teatavasti räni). Niisugune tehnoloogia eeldab, et prinditav materjal – elektrit juhtivad orgaanilised molekulid – oleks kasutatav vedelal kujul, lahusena. Lahustuvuse saavutamiseks vajavad tahked lähtematerjalid asjakohast keemilist modifitseerimist, samuti vajalike lisanditega dopeerimist. Prinditavate kihtide paksus jääb seejuures mikro- ja nanomeetrialasse. Orgaanilistel väljatransistoridel põhinevaid integraallülitusi kasutatakse RFID-märgistena (näiteks elektrooniliste hinnasiltidena vöötkoodide kujul), infona kaubapakenditel, infotabloodena, samuti kiipkaartides ja andurites. Orgaanilised valgusdioodid (OLED) leiavad kõige laiemat kasutamist kuvaseadistes, eriti nutitelefonide kuvarites, kuid alates 2015. aastast katseliselt ka teleriekraanides. Kuvaseadiste valgusdioodides kasutatakse orgaanilise aktiivmaterjalina väikeseid molekule, siit ka lühend SMOLED (small molecule organic LED). Õhuke ja painduv alusmaterjal võimaldab valmistada kokkuvolditavaid ja -rullitavaid ekraane, samuti elektroonilist paberit. Orgaanilise fotogalvaanika (ingl organic photovoltaic, OPV) alal on esmaseks ülesandeks päikeseelementide kasuteguri tõstmine ja samuti stabiilsuse suurendamine. Seejärel on võimalik ka masstootmisel ära kasutada orgaaniliste elektronseadmete eeliseid, milleks on madalad tootmiskulud, keskkonnasõbralikkus ja mitmekülgsed kasutusvõimalused tänu kergusele, painduvusele ja võimalikult ka läbipaistvusele. Kõrgmolekulaarsed ühendid Orgaanilised pooljuhid Orgaaniline valgusdiood Prinditud elektroonika Chiang, C.K.; Fincher, Jr., C. R.; Park, Y. W.; Heeger, A. J.; Shirakawa, H.; Louis, E. J.; Gau, S. C.; MacDiarmid, A. G. Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene. Physical Review Letters 39, 1098–1101 (1977) Tang, C. W., VanSlyke, S. A. Organic electroluminescent diodes. Applied Physics Letters 51, 913–915 (1987) Koezuka, H.; Tsumura, A.; Ando, T. Field-effect transistor with polythiophene thin film. Synthetic Metals 18, 699–704 (1987) Burroughes, J. H.; Bradley, D. D. C.; Brown, A. R.; Marks, R. N.; Mackey, K.; Friend, R. H.; Burn, P. L.; and Holmes, A. B. Light-emitting diodes based on conjugated polymers. Nature 347, 539–541 (1990) Yu, G.; Gao, J.; Hummelen, J. C.; Wudl, F.; Heeger, A. J. Polymer Photovoltaic Cells: Enhanced Efficiencies via a Network of Internal Donor-Acceptor Heterojunctions. Science 270, 1789–1791 (1995) Die Zukunft der Polymerelektronik (Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 2016)