Polymerní nanostruktury v optoelektronice RNDr. Jiří Pfleger, CSc. Ústav makromolekulární chemie AV ČR
[email protected]
Úvod Když dnes slyšíme o polymerech v souvislosti s elektronikou, většina z nás si asi představí izolaci na elektrických vodičích, igelitový pytlík, do kterého nám prodavač zabalí elektronické součástky, či plastovou krabici televizoru. Jde tedy zejména o použití polymerů jako konstrukčních materiálů, u kterých se využívají především jejich mechanické vlastnosti, nízká hmotnost a hlavně snadná zpracovatelnost a s tím související nízké výrobní náklady. Ti informovanější z nás si možná uvědomí, že se citlivější součástky musí dávat do tmavších pytlíků, které zabraňují vzniku statického elektrického náboje, a že se lze s polymerní fólií setkat též v kondenzátorech. V těchto aplikacích už musí mít polymer určité specifické vlastnosti: u antistatického obalového materiálů musí být schopen odvést statický elektrický náboj, tedy musí mít určitou minimální elektrickou vodivost, naopak u kondenzátorů musí mít elektrickou vodivost zanedbatelnou, tedy musí mít vysoký specifický odpor, aby byly ztráty kondenzátoru co nejmenší, a navíc vysokou hodnotu elektrické permitivity, aby byla kapacita kondenzátoru maximální. Tady už jde o použití v elektronice poněkud sofistikovanější a polymery zde již představují důležitou součást elektronických součástek, nicméně se jedná o součástky pasivní, tedy takové, které samy nedokáží zpracovat elektrický signál. Oblast materiálů pro aktivní součástky, např. diody, tranzistory, mikroprocesory, které dokáží například usměrnit elektrický proud, zesílit nebo jinak zpracovat signál, převést elektrickou energii na energii mechanic-
kou, akustickou, světelnou či naopak, je dosud (téměř výhradně) vyhrazena anorganickým materiálům, zejména křemíku, či pro některé speciální aplikace také některým dalším anorganickým materiálům, jako je např. GaAs. Ono tvrzení „téměř výhradně“, napsané v předchozí větě, je zde ale zcela na místě. Firma BASF např. již delší dobu vyrábí elektrické akumulátory, ve kterých jsou těžké kovové elektrody nahrazeny polymerem. Když dnes otevřeme reklamní plátek nějakého velkoprodejce elektroniky, můžeme se u běžných výrobků denní potřeby – od mobilních telefonů po holicí strojky - setkat s výrazem „OLED displej“. To exoticky znějící slovo „OLED“ znamená ve skutečnosti zkratku anglického pojmu „organic light emitting diod“, tedy organické svítivé diody, a tím organickým materiálem je polymer se speciální chemickou strukturou. Firma SAMSUNG uvedla na trh v roce 2005 televizor s velkoplošnou obrazovkou o úhlopříčce 107 cm se zobrazovacími prvky vyrobenými z polymerů. V populární literatuře, dokonce i v běžném tisku se lze stále častěji setkat s pojmy „inteligentní“ nebo „chytrá okna“ (smart windows), polymerní aktuátory (zařízení převádějící elektrickou energii na mechanickou), plastová elektronika nebo logika (označující logické elektronické obvody vyráběné z polymerních materiálů) a polymerní solární články. Představy o masové, levné, a především energeticky nenáročné výrobě spotřební elektroniky jsou hnací silou dalšího výzkumu a vývoje v této oblasti. Ale nejen to. Obrovská chemická a strukturní variabilita organických materiálů umožňuje „ušít“ polymer s přesně požadovanými či zcela novými funkčními vlastnostmi, například prostě jen navázáním bočních skupin či záměnou atomu. Ve světových laboratořích vyvíjejících speciální polymery se často hovoří o „chemical tailoring“, tedy něčem jako chemickém krejčovství. Představa polymeru jako lineární makromolekuly evokuje představu „molekulárního drátu“, na kterém by se chemickým navázáním vhodných bočních skupin daly přímo realizovat jednotlivé elektronické funkce, a miniaturizovat tak elektroniku až na molekulární úroveň. Mluví se dokonce o molekulární elektronice jako o další etapě miniaturizace elektronických součástek. Je asi zřejmé, že polymery vhodné pro takové aplikace budou jiné, než jsou komoditní polymery, které běžně vidíme kolem sebe. V této přednášce si objasníme, jakou musí mít takové polymery chemickou strukturu a fyzikální vlastnosti, ukážeme si základní fyzikální principy, na kterých je použití polymerů v elektronice založeno, a uvidíme, jak lze s výhodou využít chemické a fyzikální variability polymerů a ovlivňovat požadované vlastnosti změnami struktury v nanometrovém měřítku, či dokonce na molekulární úrovni.
Polymer jako polovodič V optoelektronických aplikacích budeme po polymerech obvykle požadovat, aby nějakým způsobem reagovaly na vnější elektromagnetické pole (mezi něž řadíme i světlo). Většinou přitom chceme, aby polymer reagoval na pole o rozumné frekvenci (od statického elektrického pole až po viditelné záření, tj. světlo, ale už ne např. na rentgenové záření) a intenzitě (v elektronických součástkách používáme obvykle napětí v řádu voltů a ne mega-voltů). Budou nás tedy zajímat polymery, které obsahují elektrony buď volné, tedy takové, které se mohou po přiložení elektrického pole polymerem pohybovat, nebo slabě vázané k jádrům atomů, aby se daly vnějším polem snadno excitovat, tedy aby přešly do vzbuzeného stavu. Podívejme se nejprve na molekulu polyetylenu. Ta je tvořena řetízkem atomů uhlíku kovalentně vázaných σ-vazbami. Elektrony tvořící σ-vazby jsou přitom silně vázány a lokalizovány mezi příslušnými atomy, jejichž vazbu vytvářejí. K excitaci takového elektronu je třeba poměrně vysoká energie 5,6 eV, a tak není divu, že tento polymer absorbuje záření v daleké ultrafialové oblasti, tj. až u 220 nm. Praktickým důsledkem této skutečnosti je, že tento polymer je pro viditelné záření zcela průsvitný. V souvislosti s aplikacemi v elektronice a optoelektronice se nejčastěji mluví o konjugovaných polymerech. Přesněji se tím myslí polymery π−konjugované, i když se můžeme setkat vzácně i s pojmem σ-konjugace, a to u polysilylenů, zvláštních polymerů, které jsou tvořeny místo obvyklého uhlíku řetězcem atomů křemíku. Někdy bývají konjugované polymery označovány též jako vodivé polymery, i když, jak uvidíme dále, ne všechny jsou elektricky vodivé. Konjugované polymery můžeme jednoduše popsat jako polymery, v jejichž hlavním řetězci se střídají jednoduché a dvojné vazby. Jedná se tedy o jakousi jednodimenzionální analogii benzenového jádra. Na rozdíl od výše zmíněné molekuly polyetylenu dochází
Obr. 1. Molekula trans-polyacetylenu
při vzniku molekuly konjugovaného polymeru k sp2 hybridizaci, kdy tři elektrony vytvoří σvazby, z nichž dvě tvoří kovalentní vazby na sousední atomy uhlíku a třetí vazba váže atom vodíku. Zbývající elektron se nachází v pz orbitalu, který tvoří charakteristickou „osmičku“ kolmou k rovině molekuly. Celá situace je ukázána na nejjednodušším π-konjugovaném polymeru, trans-izomeru polyacetylenu na obr. 1. Díky rovnoběžné orientaci sousedních pz orbitalů elektrony nacházející se v těchto orbitalech vzájemně interagují a díky těmto výměnným
interakcím není, na rozdíl od σ-vazeb, ve kterých jsou elektrony silně drženy mezi sousedním atomy, jejich lokalizace tak silná. Hovoříme o delokalizaci elektronů. Z hlediska možných interakcí s elektromagnetickým polem nás bude zajímat energetická struktura molekuly, zejména energetická poloha nejvýše ležícího molekulárního orbitalu (obvykle se značí HOMO, zkratka anglického výrazu Highest Occupied Molecular Orbital), a energie nejbližšího nezaplněného molekulárního pásu (najdeme ho většinou pod označením LUMO, tedy Lowest Unoccupied Molecular Orbital). Energetický rozdíl představuje nejmenší energii, která je zapotřebí k tomu, aby se elektron z hladiny HOMO přenesl na energetickou hladinu LUMO, což má, jak uvidíme dále, pro aplikace v optoelektronice zásadní význam. Všimněme si nejprve molekuly etylenu: ze dvou interagujících pz atomových orbitalů se vytvoří dva molekulární orbitaly, z nichž orbital s nižší energií (HOMO) bude zaplněn oběma elektrony tvořícími π-vazbu. U butadienu už budeme mít k dispozici celkem čtyři energetické hladiny, z nichž dolní dvě budou obsazeny vždy dvěma elektrony s opačným spinem. S rostoucím počtem atomů v řetízku bude přibývat počet elektronových energetických stavů a vazebných elektronů - vždy jedna energetická hladina a jeden elektron na každý další atom uhlíku. Jak víme, polymer představuje řetízek řádově minimálně desítek atomů uhlíku a tomu bude odpovídat i příslušný počet energetických hladin, které budou při velkém počtu atomů v makromolekule polyacetylenu vytvářet téměř spojitý energetický pás. V předchozím odstavci jsme provedli podobnou myšlenkovou konstrukci, jakou se zjednodušeně ve středoškolské fyzice vysvětluje vznik energetických pásů u anorganických polovodičů: Když budeme přibližovat atomy křemíku k sobě navzájem, budou se energetické hladiny jejich atomových orbitalů díky interakci vzájemně posouvat a štěpit, až dojde ke vzniku energetické pásové struktury. Vznikne valenční pás, v němž jsou všechny energetické stavy zcela obsazeny valenčními elektrony, a vodivostní pás, který je zcela prázdný. Šířka těchto pásů bude úměrná velikosti vzájemného působení jednotlivých atomů. Mezi valenčním a vodivostním pásem je pás zakázaných energií. Pokud chceme, aby polovodič vedl elektrický proud, musíme elektronu dodat takovou energii (excitovat světlem, teplem), aby přešel na energetickou hladinu vodivostního pásu. Po elektronu zůstane ve valenčním pásu neobsazený stav (díra), který se může též pohybovat. Pohybují se tedy elektrony, ale vypadá to, jako by se pohyboval kladný náboj – díra. Stejně jako ve známé dětské hračce, v níž máme postupným přesouváním v krabičce seřadit očíslované kostky, což je možné jen tehdy, když je jedno místo prázdné. Potud velmi zjednodušeně anorganická polovodičová klasika. Podívejme se, jak to bude vypadat s naším π-konjugovaným polymerem. Každému atomu
uhlíku bude odpovídat jedna energetická hladina, která může být obsazena dvěma elektrony s opačným spinem. Ve výsledku tedy vznikne energetický pás, který bude zaplněn jen z jedné poloviny. To znamená, že stačí velmi malá energie, aby elektron přešel na nejbližší nezaplněnou energetickou hladinu. Všechny elektrony jsou tedy vlastně volné a takový polymer by se měl chovat jako kov! Ukazuje se však, že jednodimenzionální systém s konstantní vzdáleností mezi sousedními uhlíkovými atomy je energeticky velmi nevýhodný. Jak je známo, v pevných látkách jádra atomů kmitají kolem svých rovnovážných poloh. Takové pohyby nazýváme kmity mříže. Jejich energie se mění po kvantech, proto pro ně zavádíme pojem fonony. V jednodimenzionálním řetízku polymeru „cítí“ elektrony tyto kmity řetízku velmi silně, protože se nemají „kam do strany uhnout“. Hovoříme o silné elektron-fononové interakci. Jejím důsledkem se řetízek polymeru deformuje tak, že se střídají kratší a delší vzdálenosti mezi sousedními atomy - tedy přesně tak, jak strukturní vzorec polyacetylenu malujeme. Rozdíl ve vzdálenostech je sice velmi malý, činí méně než desetinu angströmu (méně než 10-11 m), ale stačí k tomu, aby polyacetylen ztratil kovové vlastnosti a stal se z něj polovodič se šířkou zakázaného pásu 1,6 eV. Proti 5,6 eV u polyetylenu to je přece jen nějaký pokrok. Polyacetylen je polovodič se vším, co k tomu patří: s vodivostí řádu 10-7 S.m-1, která s rostoucí teplotou roste, a se slušnou pohyblivostí nosičů náboje po polymerním řetězci, vyplývající z jejich prostorové delokalizace. Dlužno poznamenat, že při své pouti mezi dvěma elektrodami nějaké elektronické součástky musí pohybující se náboj využít transportních služeb několika polymerních řetězců, neboť jeden řetězec většinou od jedné elektrody ke druhé sám nedosáhne. Vzdálenost mezi atomy uhlíku sousedních řetězců je však daleko větší než vzdálenost sousedních atomů uhlíku uvnitř jednoho polymerního řetězce a kvůli obvyklé neuspořádanosti polymerních řetězců nebývá ani vzájemná orientace pz atomových orbitalů rovnoběžná. Z toho plyne i podstatně menší výměnná interakce mezi sousedními polymerními řetězci a menší pravděpodobnost přenosu náboje. Náboj při své cestě na sousední řetězec musí překonat určitou energetickou bariéru, přes kterou se dostává tepelně aktivovaným přeskokem. A opravdu, přeskokový mechanismus je přesně termín, kterým transport náboje v polymerech popisujeme. Polymer jako syntetický kov Kdoví, jak by to s π-konjugovanými polymery dopadlo, kdyby se na jedné konferenci v roce 1977 nepotkali pánové H. Shirakawa, A. G. MacDiarmid a A. J. Heeger. Víceméně
náhodou, použitím chybné koncentrace jedné složky do té doby používaného katalyzátoru (prostě ho tam omylem přimíchal tisíckrát víc), přišel japonský chemik Shirakawa počátkem 70. let minulého století na způsob, jak definovaným způsobem syntetizovat trans-izomer polyacetylenu, připravovaný do té doby ve formě nevábně vypadajícího černohnědého prášku. Shirakawův polyacetylen byl oproti tomu velmi pěkný kompaktní film s kovovým leskem. V té době v USA experimentovali chemik MacDiarmid a fyzik Heeger s podobně vyhlížejícím anorganickým polymerem (SN)x tvořeným atomy síry a dusíku. U konferenční kávy se pak zrodil společný nápad: vyzkoušet, co se s polyacetylenem stane během oxidace v parách jódu. Svůj nápad vyzkoušeli a zjistili, že působením jódu vodivost polyacetylenu stoupla více než desetmilionkrát! A co se s polyacetylenem během oxidace děje? Jód se chová jako silný akceptor elektronů a reaguje s polyacetylenem podle následující rovnice: [CH]n + 3x/2I2 → [CH]nx+ + xI3Vzniká tedy sůl a zdálo by se, že elektrický proud by mohl být způsoben ionty – podobně jako u kuchyňské soli. Zjistilo se ale, že to, co vede v polyacetylenu proud, nejsou ionty, ale elektrony! Z polyacetylenu se totiž při oxidaci odebere elektron, tedy uvolní se místo ve valenčním pásu, a zbylé π-elektrony mohou přeskakovat na uvolněné místo a volně se po polymerním řetězci pohybovat podobně, jako je tomu u příměsové vodivosti anorganických polovodičů. A máme zde další vlastnost, která byla do té doby známa jen u anorganických polovodičů. Objevitelé dostali za svůj přínos v roce 2000 Nobelovu cenu za chemii a od jejich objevu byla syntetizována již celá řada dalších polymerů s π-konjugovaným řetězcem, které mají elektrickou vodivost v širokém rozsahu hodnot, u některých kombinací polymerů a příměsí elektrickou vodivost blížící se vodivosti mědi. Hovoříme o nich proto někdy jako o syntetických kovech. Dlužno dodat, že jak to tak bývá, ti, kteří sklidili slávu, nebyli prvními, kdo si polovodivých vlastností některých organických materiálů všimli. Takovou látku připravila už dávno sama příroda. Jedná se o melanin, jehož chemická struktura je na obr. 2 a představuje kombinaci polyacetylenu, polypyrolu a polyanilinu. Pánové McGinness, Corry a Proctor z Houstonu si všimli, že tento materiál má na organický materiál poměrně vysokou elektrickou vodivost okolo 10-2 S.m-1, přičemž tato vodivost je elektronového (a nikoliv iontového) původu, ale hlavně zjistili, že při aplikaci napětí 80 V na vrstvu tlustou desetinu mm se vodivost zvýší až na 1 S.m-1 a toto zvýšení je vratné. Molekula melaninu se tedy chová jako bistabilní spínač
řízený přiloženým napětím. Svůj objev publikovali v časopise Science v roce 1974, ale jak se zdá, nepřišli s ním ve vhodném čase a jejich objev nezpůsobil velkou pozornost. Tak už to v životě chodí. Těšit je může alespoň to, že jejich první organická elektronická součástka je vystavena ve washingtonském Smithsonově muzeu v expozici historie elektroniky.
Obr. 2. Molekula melaninu
Nanostruktura a elektrické vlastnosti Polyacetylen, první a z chemického hlediska asi nejjednodušší makromolekula s polovodivými vlastnostmi, však většího rozšíření v elektronických aplikacích nedoznal. Jednak se nedá po přípravě dále zpracovávat, protože se nedá roztavit ani rozpustit v žádném rozpouštědle, jednak není chemicky stabilní. A zde nastupuje krása organické chemie. π-konjugovaný řetězec lze nepřebernými způsoby chemicky modifikovat, například chemickým navázáním bočních skupin nebo chemickou modifikací polymerního řetězce. Navážeme-li na nerozpustný π-konjugovaný řetězec alkylovou skupinu, dosáhneme jeho rozpustnosti v organických rozpouštědlech. Několik příkladů v současnosti nejrozšířenějších π-konjugovaných polymerů je uvedeno na obr. 3. Jde je rozdělit do dvou hlavních skupin: na obr. 3a jsou strukturní vzorce polymerů, které mají úzký pás zakázaných energií; k jejich excitaci je tedy třeba malé energie – absorbují viditelné záření (jsou barevné nebo černé) a mají vyšší elektrickou vodivost, která se po přidání akceptorových příměsí blíží elektrické vodivosti kovů. Ve druhé skupině (viz obr. 3b) jsou polymery se širokým pásem zakázaných energií; k jejich excitaci je třeba větší energie, takže absorbují v modré, krátkovlnné oblasti záření (na průhled jsou jen
Obr. 3. Příklady chemických struktur π-konjugovaných polymerů: a) elektricky vodivých, b) polovodivých
lehce nažloutlé) a za normální teploty obsahují velmi málo volných nábojů, jejich vodivost je tedy velmi nízká a ani po přidání příměsí nedosahuje nějak zvláště vysokých hodnot. To však neznamená, že by se náboj, pokud ho tam nějakým způsobem dostaneme (například přejde do polymeru z elektrody), nemohl po řetězci pohybovat. Právě naopak, jeho pohyblivost zůstává vysoká a toho se v některých aplikacích patřičně využívá. Kromě chemické struktury můžeme ovlivnit vlastnosti polymeru též změnou jeho izomerní formy (cis, trans). Jak je vidět, změnou struktury v molekulárním měřítku můžeme silně ovlivnit optické a elektrické vlastnosti polymerů a „ušít“ si polymer s požadovanými vlastnostmi. Elektronické součástky z polymerních polovodičů Podívejme se nyní, jak připravit z polymerních polovodičů funkční součástky. Asi nejjednodušší takovou součástkou je polovodičová dioda, jejíž funkce je založena na elektrických vlastnostech rozhraní dvou různých polovodičů: polovodiče typu N obsahujícího příměsi donorového typu, v němž jsou většinovými nosiči náboje elektrony, a polovo-
Obr. 4. Příklad polovodivých polymerů typu N a P
diče typu P, kde příměs akceptorů způsobuje větší koncentraci kladných nábojů, tedy děr. A jak takovou diodu připravit z polymerů? Částečně jsme cestu naznačili již v minulém odstavci – také π-konjugované polymery lze dotovat donory a akceptory, a měnit tak jejich vodivost a typ nosičů náboje (elektrony nebo díry).
Větší možnosti nám však nabízí kuchařka organické chemie: různé akceptorové skupiny můžeme na polymerní řetězec přímo chemicky navázat, jak je vidět na obr. 4. Když se pak řetězce s různým typem vodivosti dostanou blízko k sobě, máme diodu na molekulární, tedy vlastně makromolekulární úrovni. Nic ale nebrání tomu, aby se takové P- a N-oblasti střídaly na jednom polymerním řetězci. Tady už se jedná o elektronické funkční elementy na skutečně molekulární úrovni. Když už umíme připravit polymerní diodu, proč se nepokusit třeba o polymerní solární článek, který by dokázal přeměňovat sluneční energii na elektrickou? Takovou možnost nabízí například nanostruktura složená z navzájem se prolínajících polymerů, kde jeden je po absorpci světla donorem elektronu a vzniklý kladný náboj dokáže přenést k příslušné elektrodě (obr. 5). Druhý polymer musí zase elektron ochotně přijímat; obsahuje akceptorové skupiny, např. fulereny, a umí jej přenést k elektrodě opačné. Na elektrodách vzniká elektrické napětí, z něhož můžeme po připojení do elektrického obvodu odebírat elektrický proud, který by mohl třeba dobít akumulátory notebooku, na kterém se píše tento příspěvek. Takové solární články už se v laboratorních podmínkách připravují a jejich účinnost dosahuje velmi slibných 5 %. Křemík sice umí víc – běžně asi 15 %, ale začátky jsou vždycky těžké.
Obr. 5. Nanostruktura polymerního solárního článku Obr. 6. Princip polymerní elektroluminiscenční diody
Na opačném principu, než je solární článek, pracuje polymerní elektroluminiscenční dioda (OLED, viz obr. 6). Ta je opět tvořena nanostrukturní polymerní vrstvou složenou ze dvou polymerů, z nichž jeden umí transportovat elektrony a ve druhém jsou pohyblivé kladné náboje (díry). Když takovou vrstvu opatříme elektrodami a přiložíme na ně elektrické napětí,
elektrony a díry přecházejí z elektrod do příslušných polymerů, kde se pohybují, až v místě jejich styku zaniknou (říkáme, že vzájemně rekombinují). Přitom se ale uvolní kvantum světelné energie – foton. A levný elektroluminiscenční displej je na světě! Jak vidět na obr. 7, takový displej lze na cesty třeba smotat do tašky. Obr. 7. Flexibilní polymerní displej
Podobně bychom mohli uvést i další příklady polymerních optoelektronických součástek: pamětí, tranzistorů a spínačů. Od polymerních polovodičů k molekulární elektronice Jednou z výhod „plastové elektroniky“ bude, že není tak energeticky náročná. Výroba elektronických komponent z křemíku totiž představuje velkého energetického nenasytu: křemík se během výroby několikrát taví, aby se dosáhlo potřebné čistoty. Další výhodou je i snadná technologie výroby – vrstvy lze například tisknout. Běžnými tiskařskými technikami lze dosáhnout běžně rozlišení 40–500 µm. Pro řadu levných aplikací to postačuje, zdaleka to však nedosahuje možností technologie křemíkových polovodičů. Vždyť v procesorech počítačů se běžně vyskytují součástky s 60–70nm technologií a 30 nm se běžně dosahuje na vývojových pracovištích. Podívejme se, jestli by samotné polymerní makromolekuly neuměly vést a zpracovat elektrický signál. Koncept molekulární elektroniky není nový, první úvahy o využití fyzikálních procesů ke zpracování a zápisu signálů na molekulární úrovni se objevily ve 40. letech 20. století v pracích R. Mullikena a A. Szent-Györgyiho, kteří studovali přenos náboje na donorakceptorových molekulárních systémech. V roce 1974 M. Ratner a A. Aviram představili koncepci molekulárního usměrňovače a o něco později Aviram teoreticky popsal funkci tranzistoru tvořeného jedinou molekulou. V představách Naval Research Laboratory se objevil i koncept hradlového článku. To už by spolu dalo dohromady celou funkční řadu elektronických součástek. Prvním molekulárním elektronickým prvkem byl vlastně spínač z molekuly melaninu, zmiňovaný v předchozí kapitole, ale i když se v tomto případě jedná o elektronický jev na molekulární úrovni, jeho využití na takové úrovni by ještě nebylo možné. Až s objevem vodivých polymerů jako molekulárních „drátů“ se staly tyto představy uskutečnitelné. Je si
tak možno představit třeba molekulární optoelektronický spínač znázorněný na obr. 8. V něm vidíme konjugovaný řetězec, na který je chemicky navázána fotochromní molekula, tedy molekula, která po osvětlení změní chemickou strukturu a díky tomu též barvu. Na obr. a je takový spínač v sepnutém stavu: polymerní řetězec má neporušenou konjugaci a to, jak už víme, znamená, že se po něm náboje mohou lehce pohybovat. Posvítíme-li na spínač modrým světlem, boční chemická skupina změní svoji chemickou strukturu tak, že se konjugace poruší: polymerní řetězec nevede náboj a spínač je „vypnut“. Zároveň se však změní optické absorpční spektrum boční skupiny. Když teď posvítíme na spínač světlem, které tato molekula absorbuje, překlopí se její struktura zpět do původního stavu, konjugace polymeru se obnoví a spínač se sepne. Obr. 8. Optoelektronický molekulární spínač
Na cestě od polymerní elektroniky k molekulární elektronice je třeba ještě urazit notný kus trnité cesty. Představa je to však fascinující. Integrované obvody, v nichž jsou aktivní prvky tvořeny jednotlivými funkčními skupinami polymeru nebo rozhraním dvou různých polymerních segmentů a vodivé propojení obstarává samotný polymerní řetězec, by umožnily hustotu integrace na úrovni jednotek nanometrů, tedy ještě o řád nižší, než umožňuje současná elektronika na bázi křemíku. A čeho se asi ještě dočkáme? Kromě speciálních vlastností, které dávají elektronickým výrobkům na bázi polymerů vyšší užitnou hodnotu, je velkou předností použití polymerů v optoelektronice skutečnost, že mohou být vyráběny rychle a levně. Proto lze očekávat, že se rozšíří i tam, kde sice nedosahují kvalit křemíkových komponent, ale nízká cena tyto nevýhody převáží. Velmi brzo asi budou v domácnostech běžné velkoplošné obrazovky, na silnicích svítivé dopravní značky a informační cedule vyrobené z polyfenylenvinylenu a polydialkylfluorenu, místo žárovek budeme doma ke svícení používat elektroluminiscenční tapety z multivrstevných polymerních struktur. Z polyalkylthiofenu se mohou na obaly tisknout elektronické čipy, které budou jimi označené zboží automaticky registrovat při průjezdu kolem pokladny. A to už ani nemluvíme o takových „obyčejných“ aplikacích, jako jsou polymerní akumulátory vyrobené z polypyrrolu, elektromagnetické stínění, antikorozní povrchové ochranné nátěry
a antistatické koberce z vodivého polyanilinu nebo antistatická úprava fotografických filmů vodivým polyalkylthiofenem. Řada těchto aplikací se už komerčně vyrábí nebo je ve stadiu testování. Čím dál častěji vídáme firmy s podivnými názvy jako Plastic Logic, Organic Solar Cells nebo Thin Film Electronics, kde už sám název napovídá, z čeho se jejich elektronické komponenty vyrábějí. A tak se zdá, že polymery brzo ovládnou i elektronický průmysl. Neměli by už v Kalifornii přejmenovat Silicon Valley?
