В статье, опубликованной в журнале Materials Horizons представлены результаты, которые могут кардинально изменить подход к созданию электроники для экстремальных условий. Группа исследователей продемонстрировала исключительную радиационную стойкость фуллеренов и их производных. Молекула фуллерена C₆₀ имеет форму футбольного мяча из атомов углерода, а его производное PC₆₁BM содержит еще присоединенный циклопропановый адденд с остатком метилового эфира масляной кислоты и фенильной группы в качестве заместителей. Эти материалы сохраняли работоспособность в резисторах и полевых транзисторах при облучении гамма-лучами от источника ⁶⁰Co в невероятно высоких дозах, достигающих 5–8 МГр.

Для сравнения, традиционная кремниевая электроника (МОП-транзисторы) выходит из строя уже при дозах около 20–30 кГр. Таким образом, радиационная стойкость фуллереновых устройств на два-три порядка выше, чем у современных кремниевых аналогов, и сопоставима или превосходит показатели лучших из специально разработанных полупроводниковых материалов, таких как нитрид алюминия-галлия (AlGaN).

Актуальность исследования обусловлена растущей потребностью в надежной электронике для космических аппаратов, работающих в условиях жесткого радиационного пояса Земли, а также для систем управления атомными электростанциями, медицинского оборудования и робототехники, используемой при ликвидации аварий. Авторы отмечают, что во время катастроф в Чернобыле и Фукусиме роботы выходили из строя именно из-за недостаточной радиационной стойкости бортовой электроники.

Ключевые научные результаты

Химическая стабильность. При облучении С₆₀ и PC₆₁BM образуются стабильные радикальные частицы, которые вступают в обратимую реакцию димеризации. С помощью масс-спектрометрии было обнаружено образование небольшого количества (< 1%) димеров PC₆₁BM, которые не ухудшают электронные свойства пленок. Однако, в отличие от обычных полимеров, которые при таких дозах рассыпаются в пыль, фуллерены сохраняют свою химическую структуру

• Резисторы на основе C₆₀. Простые приборы с латеральной геометрией продемонстрировали линейную зависимость темнового тока от дозы облучения. Это открывает возможность создания простых и дешевых одноразовых дозиметров, способных работать в сверхшироком диапазоне доз гамма-излучения.
• Полевые транзисторы (OFET) на основе PC₆₁BM. Это центральный результат работы. Транзисторы не только выдерживали экстремальные дозы, но и демонстрировали улучшение характеристик на начальном этапе. После облучения дозой в 10 кГр (критической для кремния) подвижность носителей заряда и соотношение токов во включенном и выключенном состояниях (Iₒₙ/Iₒ_ff) заметно возросли, а пороговое напряжение снизилось. При дозе в 5000 кГр (5 МГр) транзисторы оставались полностью функциональными. Некоторые «рекордные» образцы сохраняли высокую подвижность носителей и после облучения дозами 5.4 и 7.9 МГр.

• Воздействие электронов. Для имитации условий космического пространства транзисторы облучались пучком высокоэнергетичных электронов (в среднем 8.5 МэВ). Устройства демонстрировали лишь незначительную деградацию при флюенсах до 10¹⁵ электронов/см².

Практическое значение

Полученные результаты показывают, что разработанные транзисторы могут работать в условиях низкой околоземной орбиты около 100 лет, а на геостационарной орбите — более 10 лет. Кроме того, достигнутая стойкость к дозам более 5 МГр позволяет использовать органическую электронику в медицинской технике для лучевой диагностики и терапии, а также на объектах атомной энергетики

Участники исследования

Над проектом работал российский коллектив ученых из ведущих научных центров:

1. Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН (Россия)
2. Институт физики и технологий Уральского федерального университета (Россия).

Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (проект № 25-13-00235)

Sergey A. Kuklin, Petr M. Kuznetsov, Valeria S. Bolshakova, Alexander V. Mumyatov, Nikita A. Slesarenko,   Galina A. Kichigina, Ivan A. Komarov, Pavel P. Kushch, Dmitry P. Kiryukhin, Ivan S. Zhidkov and  Pavel A. Troshin //  Radiation-hard organic electronics with fullerene-based semiconductors//
Mater. Horiz., 2026,13, 6204-6208, IF=11.4

DOI    https://doi.org/10.1039/D5MH02391B