У.Нэргүй: Органик нарны зайг сонин хэвлэхтэй ижил аргаар үйлдвэрлэх боломжтой

Органик хагас дамжуулагчийн судалгаа сүүлийн жилүүдэд эрчимтэй судлагдсанаар өнөөдөр органик нарны зай, органик гэрлэн диод, био сенсор зэрэг маш олон электрон төхөөрөмжүүд хэрэглээнд нэвтрээд байна. Энэхүү органик хагас дамжуулагчийн салбар хэрхэн яаж хөгжиж өнөөгийн түвшинд хүрсэн тухай ШУА-ийн Хими, химийн технологийн хүрээлэнгийн, Органик химийн лабораторийн эрдэм шинжилгээний ажилтан, доктор (Ph.D) У.Нэргүйтэй ярилцлаа.

-Хагас дамжуулагчдын судалгаа хөгжүүлэлтэнд нанотехнологийн шинжлэх ухааны оролцоо хэр байна вэ?

-Хагас дамжуулагч материалын хэмжээг нано хэмжээс болгон багасгахад физик, химийн шинж чанар нь эрс өөрчлөгдөж, гадаргуугийн том талбай эсвэл квант хэмжээсийн нөлөөгөөр өвөрмөц шинж чанарыг бий болгодог. Одоогоор хагас дамжуулагч наноматериал болон төхөөрөмжүүд судалгааны шатандаа байгаа ч нарны зай, нано хэмжээст электрон төхөөрөмжүүд, гэрэл цацруулагч төхөөрөмж, лазер технологи, био мэдрэгч зэрэг олон салбарт хэрэглэгдэх ирээдүйтэй байна. Нанотехнологийн цаашдын хөгжил нь хагас дамжуулагчийн салбарт томоохон нээлтүүдийг авчрах нь дамжиггүй ээ.

-Органик хагас дамжуулагчийн салбарын түүхэн хөгжлийн талаар хөндөх нь зүйтэй болов уу?

-Органик хагас дамжуулагчид нь гурван үе шаттайгаар хөгжиж ирсэн л дээ. Эхлээд 1960-1970-аад онуудад органик хагас-дамжуулагч талст материалууд судалгааны гол материал болж, органик материалын оптик шинж чанарын судалгааг ихэнхдээ хийж байсан. Гол төлөөлөгчид нь нафталин ба антрацен гэх молекулууд ордог. Дараа нь 1970-1980-аад онуудад органик тусгаарлагч полимерийг хагас дамжуулагч, дамжуулагч шинжтэй болгосон нээлтүүд бий болж, тэдгээрийн оптик болон цахилгаан дамжуулалтын онол, туршлагын судалгааг хийж “металл полимер” гэж нэрлэгдэх болтлоо хөгжсөн. Эцэст нь 1980-1990-ээд онуудад аморф органик хагас-дамжуулагчид, тэдгээрээс тогтсон органик гэрэл-цацруулагч болон органик нарны зайн үүсгүүрийн судалгаа гараагаа эхэлсэн түүхтэй. Энэ үеэс эхлэн микро-электроникийн дараагийн үе болох “органик электроник” бий болсон.

-Энэхүү салбарын сүүлийн үеийн хөгжил их сонирхолтой байна л даа. Ер нь органик хагас дамжуулагчдыг юунд ашиглах боломжтой вэ?

-Органик хагас дамжуулагчийн салбар нь сүүлийн жилүүдэд гадаадын улс орнуудад гурван чиглэлээр эрчимтэй хөгжиж байна. Нэгдүгээрт, органик нарны зайн үүсгүүр буюу OPV (Organic Photovoltaic). Oрганик нарны зай нь 100 нанометр (нм)-ээс ихгүй зузаантай, халуун, хүйтэнд тэсвэртэй, органик хагас-дамжуулагч нь хоёр ба түүнээс дээш үелсэн нимгэн давхаргуудаас тогтсон, суурь гадаргуу нь уян пластик материалтай байдаг. Хоёрдугаарт, органик гэрэл-цацруулагч төхөөрөмж буюу OLED (Organic Light Emitting Diode) болно. Та бидний өдөр тутамдаа хэрэглэдэг бүхий л төрлийн дэлгэцүүд энэ төрөлд багтана. Ер нь бол анх OLED дээр үндэслэсэн компьютерийн дэлгэцийг үйлдвэрлэлд нэвтрүүлж эхэлсэн бөгөөд гэрэл-цацруулагч органик төхөөрөмжийн судалгаа түлхүү өрнөж OLED дээр тулгуурласан бүх төрлийн дэлгэцүүдийг 2002 оноос эхлэн бөөний үйлдвэрлэлд нэвтрүүлж эхэлсэн байдаг. Гуравдугаарт органик хагас дамжуулагчийг хэрэглэж байгаа хамгийн гол салбар бол органик цахилгаан орны транзистор юм. Энэ нь хямд, бага хүчдэлд ажилладаг, хөнгөн, уян хатан, байгальд ээлтэй ногоон технологи учраас ирээдүйн электроникийн төхөөрөмжид тооцогдож байгаа. Транзисторын бүтэц нь электроникийн төхөөрөмжөөс гадна хими, биологийн төрөл бүрийн мэдрэгчүүдэд ашиглагддаг учраас түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүд болон интерфейсүүдийн зөв зохистой хослолоор үзүүлэлтийг нь сайжруулах судалгаа эрчимтэй хийгдэж байна.

-Манай орны хувьд энэ төрлийн судалгаа хийгдсэн үү?

-Хүн төрөлхтний хөгжил дэвшилд шинжлэх ухаан, техник технологийн дэвшлийн шаардлагаар гарч ирсэн молекулын дан болон нимгэн үеийн судалгааны ажлууд маш эрчимтэй хийгдэж, тэдгээрийн ололт амжилтуудыг практикт хэрэглэх боломжийн судалгаа сүүлийн жилүүдэд маш ихээр хөгжиж байгаа. Манай судлаачид ч мөн энэ чиглэлийн судалгаанд түлхүү анхаарч эхэлсэн. Шингэн ба хатуу төлөвт орших органик ба органик бус хагас-дамжуулагч материалууд, тэдгээрийн физик, химийн шинж чанар, оптик ба цахилгаан дамжуулалтын шинжийг тогтоосноор нарны зайн үүсгүүрт ашиглах онол практикийн судалгаа хийгддэг. Өөрөөр хэлбэл, хагас дамжуулагч материалуудын шинж чанаруудыг судлан тогтоосноор тэдгээр материалыг ашигласан хэрэглээний судалгааг явуулах маш том боломж нээгдэх юм. Үүний тулд юун түрүүнд судалгааны лаборатори байгуулах, судалгаа явуулах боловсон хүчний нөөцийг тасралтгүй бэлтгэж, сургаж байх зайлшгүй шаардлагатай. Манай орны хувьд 2006 оноос эхлэн МУИС-ийн доктор, профессор Ч.Ганзоригийн удирдлагаар хими, физик, электроникийн мэргэжилтэй багш, оюутан, судлаачид органик ба органик бус хагас дамжуулагч материалын оптик, цахилгаан шинж чанарын судалгаа, тэдгээрээс тогтсон нано-бүтцэт органик нарны зайн үүсгүүр гарган авах анхны судалгааны ажлуудыг эхлүүлж, анхны туршилтын үр дүнгүүдийг эрдэм шинжилгээний хурлуудад хэлэлцүүлсэн. Яг одоогоор бол манай судалгааны багийнхан органик полимер цахилгаан орны транзисторыг (Organic Polymer Field Effect Transistor-OFET) гарган авахад шаардлагатай судалгааны ажлыг хийж байна. Тодруулбал, транзисторын металл электрод, тусгаарлагчийн гадаргыг химийн аргаар өөрөө эрэмблэгддэг дан үе ашиглан өөрчлөх, полимерийн химийн холбооноос хамаарсан цэнэгийн хөдөлгөөний компьютерийн онолын нарийвчилсан тооцооллыг хийн оновчлох замаар онол, туршилтыг хослуулан судалж байгаа юм.

-Та бүхэн органик нарны зайн үүсгүүр гаргаж авах судалгаа хийж байна гэлээ.  Энэ судалгааныхаа талаар  уншигчдад дэлгэрэнгүй мэдээлэл өгнө үү?

-Анх нарны энергийн талаар 1839 онд Францын эрдэмтэн Эдмонд Бэкейрэл судалж, энгийн батарейн нэг тал дээр туссан гэрлийн тусламжтайгаар цахилгаан гүйдлийг үүсгэн, түүнийг ихэсгэх боломжтой болохыг тогтоосон байдаг. Ерөнхийдөө нарны энергийг цахилгаан энергид хувиргадаг энгийн төхөөрөмжийг нарны зайн үүсгүүр гэх бөгөөд энэ нь судалгааны бие даасан салбар болж хөгжиж байгаа. Нарны зайн үүсгүүрийн судалгаа нь гарган авах технологи, хэрэглэгдэж буй материал зэргээс хамаарч хөгжлийн 2 төрөлд хамаардаг юм. Нэгдүгээр төрлийн нарны зайд кристалл силикон нарны зай багтдаг. Силикон нарны зайн үүсгүүрийг үйлдвэрлэхдээ кристаллын дан үеийг ~100-200 мкм зузаантай ургуулж, зүсэх аргаар бэлтгэдэг учраас үйлдвэрлэх зардал өндөртэй. Кристалл силикон нарны зай нь хэрэглээнд аль эрт нэвтэрсэн ч үйлдвэрлэх технологи нь зардал ихтэй учир хэрэглэгчдэд өртөг өндөртэй очдог. Үнэ өртөгийг багасгахын тулд кристалл силиконы үеийн зузааныг хамгийн багадаа ~30 мкм хүртэл багасгах шаардлагатай ч гарган авч буй технологи нь үеийн зузааныг хянах боломжгүй тул үйлдвэрлэх өртгийг багасгах боломжгүй гэж судлаачид үздэг. Иймд энэ технологи нь цаашид хөгжих боломжгүй бөгөөд өртөг өндөртэй байсаар л байх болно. Харин хоёрдугаар төрлийн нарны зайн үүсгүүрт гол төлөв нимгэн үелсэн нарны зайн үүсгүүр хамаарагддаг. Аморф болон кристалл бүтэцтэй органик хагас дамжуулагч материал ашиглан гарган авч буй нарны зайн үүсгүүрийг органик нарны зайн үүсгүүр гэдэг. Органик нарны зайн үүсгүүр нь ихэвчлэн нүүрстөрөгч, устөрөгч, азот, фтор, хүчилтөрөгч, хүхэр зэрэг элементүүдээс бүрддэг. Эдгээр түүхий эд нь хямд, элбэг бөгөөд дахин боловсруулах болон синтезлэн гарган авахад хялбар байдаг тул хөнгөн, уян хатан, үйлдвэрлэхэд хямд органик хагас дамжуулагч материалыг бий болгодог. Одоогийн байдлаар бол силикон, перовскитээр хийсэн бусад нарны зайн технологитой харьцуулахад тэдний ашигт үйлийн коеффициент харьцангуй бага байгаа. Хамгийн өндөр ашигт үйлийн коеффициент бүхий органик полимер нарны зай ойролцоогоор 18% хүрсэн байна. Цаашид энэ төрлийн судалгаанд ашигт үйлийн коеффициентийг нэмэгдүүлэхээс илүү тогтворжилт дээр анхаарах хандлага ажиглагдаж байна.

-Нарны эрчим хүчийг ихэвчлэн хөдөө, орон нутгийн айлуудын гадаа болон байшингийн дээвэр дээр байгаа том нарны хавтан эсвэл хээр талд эгнүүлэн байршсан хавтангуудаар төсөөлдөг. Энэ ойлголт ирээдүйд өөрчлөгдөх үү?

-Цахиурын нарны зай нь их хэмжээний нарны эрчим хүчээр хангахад тохиромжтой бол органик нарны зай нь бодит амьдрал дээр ашиглах бусад өвөрмөц давуу талуудыг бий болгодог. Ялангуяа органик нарны зайн хоёр өвөрмөц онцлог нь нимгэн болон уян хатан чанар. Ердийн цахиурын нарны зай нь хүний ​​үсний дундаж өргөн шиг зузаантай байдаг бол ихэнх органик нарны зай нь ойролцоогоор мянга дахин нимгэн буюу 100 нанометр хүртэлх зузаантай байдаг. Нимгэн, уян хатан байдлаас шалтгаалан органик нарны зайг ямарч муруй гадаргуу болон биетийн гадаргууг бүрж байрлуулах боломжтой болдогоороо маш давуу. Жишээлбэл, тэдгээрийг майхан, үүргэвч, бүр хувцасны даавуунд нөхөж эсвэл нэгтгэж болно. Мэдээж одоогийн байдлаар хараахан хэрэглээнд нэвтрээгүй лабораторийн туршилт судалгааны түвшинд байгаа ч үйлвэрлэлд нэвтрүүлэх цаг тун ойртож буй гэж итгэж байгаа. Мөн тунгалаг болон хагас тунгалаг эсвэл янз бүрийн өнгөөр органик нарны зайг​​ хийж болдог. Үүний үр дүнд архитектурын зориулалтаар ашиглах боломжтой олон шийдлүүд гарч байна. Тухайлбал, тунгалаг органик нарны зайг цонхны шилийг бүрж ашигласанаар нарны гэрлээс энерги гаргаж авах боломжтой болно. Органик нарны зайн өөр нэг давуу тал бол үйлдвэрлэх явцад цахиурын нарны зайнаас илүү бага эрчим хүч зарцуулдаг явдал юм. Цахиурын нарны зайн өндөр цэвэршилттэй цахиурыг үйлдвэрлэхэд маш халуун зуух ойролцоогоор 1500°C-ээс дээш температур шаардлагатай байдаг. Гэтэл том хэмжээтэй органик нарны зайг зөвхөн хэвлэх замаар буюу сонин хэвлэхтэй ижил аргаар үйлдвэрлэх боломжтой. Энэ процесс нь бага энерги зарцуулдаг тул үйлдвэрлэхэд илүү богино хугацаа мөн шаардагдана.

-Таны голлон ажилладаг судалгааны чиглэлийг органик хими, тэр дундаа нарны зайн үүсгүүр гэж ойлголоо?

-Тиймээ, би 2020 онд БНХАУ-ын Хятадын Шинжлэх Ухааны Академийн Чингдао Биоэнэрги Биопроцесс Технологийн хүрээлэнд “Өндөр үр ашигтай фуллерен бус органик нарны зайн өргөн бүсийн донор полимерүүд” сэдвээр эрдмийн зэрэг хамгаалсан. Одоо бол хүрээлэнгийнхээ Органик химийн лабораторит эрдэм шинжилгээний ажилтнаар ажиллахын зэрэгцээ МУИС дээр докторын дараах судалгааны ажил давхар хийж байна. Докторын судалгааны ажлын хүрээнд хэд хэдэн төрлийн өргөн бүсийн донор полимер шинээр синтезлэн гарган авч, мөн бүрэх аргаар бэлтгэсэн нарны зайн үүсгүүрийн оптик, цахилгаан, морфологи, фото-цахилгаан шинж чанарыг судалсан. Жаахан тодруулбал, фуллерен бус органик нарны зайн хамгийн өргөн ашиглагддаг донор полимер болох PBDD-T дээр циклогексилметилийн хажуугийн гинжин хэлхээ залган PBDD-CH ба PBDD-CH-S гэсэн хоёр шинэ өргөн бүсийн донор полимер синтезлэн гарган авч, полимерууд нь ижил бүсийн өргөнтэй болохыг тодорхойлсон. Мөн хамгийн их эрлийзлэгдсэн молекул орбиталын (HOMO) энергийн түвшин нь -5.52 ба -5.47 эВ байсан. PBDD-CH: ITIC ба PBDD-CH-S: ITIC гэсэн органик хагас дамжуулагч нимгэн үеийн цахилгаан руу хувиргах хамгийн сайн ашигт үйлийн коэффициентийг тодорхойлоход 8.21% ба 9.63% байсан. Энэхүү үр дүн нь тухайн үедээ өндөр үзүүлэлт болж чадсан учир эдгээр үр дүнгүүдээ импакт фактор өндөртэй мэргэжлийн сэтүүлүүдэд хэвлүүлсэн. Гэтэл одоо хамгийн өндөр ашигт үйлийн коеффициент бүхий органик полимер нарны зай ойролцоогоор 18% хүрсэн байгаа нь энэ талын судалгаа өрсөлдөөнтэй эрэлт хэрэгцээтэй төдийгүй маш богино хугацаанд хурдан хөгжиж байгааг олж харах боломжтой.

-Ярилцсанд баярлалаа