Фуллерены относятся к самоорганизующимся структурам и являются аллотропной модификацией углерода. Это замкнутые сферические или сфероидальные молекулы, состоящие из пяти- и шестиугольников. Были обнаружены фуллерены, содержащие от 28 до 100 атомов углерода, но наиболее стабильны молекулы С60 и С70. В молекуле фуллерена атомы углерода расположены в вершинах пяти- и шестиугольников, образующих поверхность сфероида. О них сегодня мы и расскажем.
Что это такое
Молекулу фуллерена можно представить как футбольный мячик, на поверхности которого есть шестиугольники и пятиугольники, а в вершинах — атомы углерода. На поверхности этого футбольного мяча содержится 60 атомов углерода, а внутри — пустота.
Фуллерен представляет собой органический полупроводник и проявляет сильные акцепторные свойства по отношению к большинству органических соединений. В составе донорно-акцепторных комплексов фуллерен активно используется в системах искусственного фотосинтеза и органических солнечных элементов на основе высокомолекулярных объемных гетеропереходов. На основе монослойных фуллереновых пленок созданы полевые транзисторы с подвижностью носителей около 6 см2/Вс. Благодаря подвижной π-электронной системе молекула фуллерена легко поляризуется и обладает нелинейными оптическими свойствами. Кроме того, фулерены используются как компоненты молекулярных электромеханических транзисторов, одноэлектронных транзисторов, элементов на эффекте Кондо и т. д. В 2000-х были разработаны физические принципы создания аналога транзистора на одной молекуле фуллерена, который может служить усилителем наноамперного диапазона (два точечных наноконтакта расположены на расстоянии 1-5 нм по одну сторону молекулы С60, один из электродов является истоком, другой играет роль стока).
Большой прогресс достигнут в разработке фуллерен-содержащих материалов для пластиковых солнечных батарей. В 2010 году были достигнуты к.п.д. преобразования энергии солнечного света около 8% на основе органических производных фуллеренов и сопряженных полимеров, а в США в 2009 году запущены первые линии для производства солнечных батарей этого типа.
Растет интерес к органическим фотодетекторам на основе фуллерен-содержащих материалов, имеющих широкий спектр возможных применений. На основе органических фотодетекторов созданы первые цифровые камеры и двумерные сканеры, в том числе, предназначенные для целей идентификации личности.
В последние годы идет непрекращающийся поиск новых фуллерен-содержащих материалов с улучшенными электронными и физико-химическими свойствами.
В маркетинговом исследовании объем рынка фуллеренов в 2024 году оценивался в 618,88 млн долларов, а совокупный доход от продажи фуллеренов, как ожидается, будет расти в среднем на 5,8 % в год в период с 2025 по 2032 год и достигнет почти 971,62 млн долларов. На их основе создаются полимерная электроника, антиоксиданты, биокатализаторы и биофармацевтические препараты.
Патентный аспект
В сентябре 2025 года выдал более 100 000 патентов по теме fullerenes for electronics. В системе международной патентной классификации лидировали следующие темы:
-
органические электрические твердотельные устройства H10K – 45,2%;
-
сокращение выбросов парниковых газов Y02E – 44,2%;
-
использование наноструктур B82Y – 31,1%;
-
неметаллические элементы; их соединения C01B – 16,5%;
-
высокомолекулярные соединения, получаемые иначе, чем реакциями с участием только ненасыщенных углерод-углеродных связей C08G – 14,3%.
Видно, в группе главтематик на первом месте органические электрические твердотельные устройства.
Специальный поиск по (fullerenes electronics) (H10K) выдал 35863 патента в мире на ноябрь 2025. Лидерами по числу патентов в этой теме являются следующие патентообладатели:
-
Semiconductor Energy Laboratory – 4,2%;
-
Samsung Electronics Co., Ltd. – 3,8%;
-
Sumitomo Chemical – 3,5%.
Динамика по годам представлена на рис.1.
Видно, что интенсивность патентования в 2000-х резко выросла, достигнув пика в 2010-2016, затем несколько снизилась до платообразного вида, но оставалась достаточно высокой.
Примеры патентов:
-
US9349970B2 Quantum dot-fullerene junction based photodetectors;
-
US20250224257A1 Sensor and display panel and electronic device;
-
CN120417640A Light-emitting device.
Российские патенты
В базе ФИПС по рефератам на термин «фуллерен» обнаружено 511 патентов РФ на изобретения, однако по МПК H10K ни одного, а по H01L десять, из которых только 5 действующие, среди них:
№2519782 (2014) Способ получения циклопропановых производных фуллеренов, применение органических производных фуллеренов в качестве материалов для электронных полупроводниковых устройств, органического полевого транзистора, органической фотовольтаической ячейки, органический полевой транзистор и органическая фотовольтаическая ячейка. Институт проблем химической физики РАН (Черноголовка). Способ позволяет получать производные фуллеренов, содержащие в своей структуре сложноэфирную группу, непосредственно присоединенную к циклопропановому фрагменту на фуллереновой сфере, используя доступные эфиры α-кетоуксусной кислоты.
№2583375 (2016) Полупроводниковые тонкие пленки [60] фуллерена и их применение. Институт проблем химической физики РАН (Черноголовка).
№2 725 899 (2020) Способ детектирования терагерцовых электромагнитных волн. Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского. Сущность изобретения заключается в том, что способ детектирования терагерцового электромагнитного излучения включает направление потока излучения на преобразователь, регистрацию отклика, по которому судят о наличии излучения, при этом в качестве преобразователя выбирают гибридную структуру, представляющую собой эндоэдральный комплекс К+Cx, где x=36 или 60 или 80, находящийся в полости одностенной углеродной нанотрубки c триммером фуллерена С60, преобразователь располагают таким образом, чтобы поток электромагнитного излучения был направлен поперек оси нанотрубки, а в качестве отклика выходного параметра регистрируют изменение электропроводности гибридной структуры. Технический результат: обеспечение возможности расширения диапазона детектируемых частот и рабочих температур.
Имеется 57 патентов РФ на полезные модели с фуллеренами, но по нашей теме действующих патентов нет.
В РФ не зарегистрировано топологий интегральных схем с фуллеренами.
Баз данных по фуллеренам 15 ед. Большинство касается их физико-химических свойств, технологий получения, полимерных и металлических композиций, биотехнологий. По применению в электронике – нет.
Программ для ЭВМ по фуллеренам 21 ед. К электронике косвенное отношение имеет №2019615034 Программа для исследования нелинейно-оптического переключателя фемтосекундного диапазона, основанного на поляризационной нелинейности (PolSwitcher). Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). Программа предназначена для исследования нелинейно-оптического переключателя фемтосекундного диапазона, основанного на фуллеренсодержащих средах. Моделируются процессы светоиндуцированного изменения показателя преломления твердого раствора фуллерена С60, вызванного поляризационной нелинейностью фуллерена.
НИОКТР
В ГИС «Наука» числится по запросу «Фуллерен в электронике» 44 документа, в основном отчёты по НИР, диссертации, объекты интеллектуальной деятельности.
Технологии композитных сегнетоэлектрических и люминесцентных кристаллических материалов, декорированных углеродными наночастицами (фуллерен, фуллеренол, графен) для применения в устройствах оптоэлектроники исследованы в 2020 г. в Московском государственном областном университете (Мытищи). Осуществлена разработка оригинальных методик декорирования сегнетоэлектрических и люминесцентных дисперсных материалов наночастицами фуллерена, фуллеренола, графена. Показано, что модифицирование позволяет регулировать донорно-акцепторные свойства поверхности материалов и существенно повысить характеристики материалов и устройств печатной электроники на их основе: диэлектрическую проницаемость, яркость люминесценции. Полученные результаты актуальны для разработки перспективных технологических процессов электрооптических и оптоэлектронных устройств, обеспечивающих повышение яркости, контраста, цветовой гаммы, а также стабильности материалов и снижения стоимости производства материалов и устройств.
Уфимский федеральный исследовательский центр РАН в 2021-2023 гг. выполнил работу «Фуллеренилазиды в синтезе ароматических и гетероароматических 1,2,3-триазолов – перспективные гибридные материалы для электроники». Ввиду перспективности новых синтезированных производных фуллерена C60 в качестве органических полупроводников и материалов в электронике подробно изучены электрохимические свойства модельных 1,2,3-триазолилфуллеренов 5, 6, 15, и 16 и сравнены с немодифицированным С60. Производные фуллерена изучены методом циклической вольтамперометрии. В рамках данного проекта удалось разработать эффективный селективный метод 1,3-диполярного циклоприсоединения ациклических, ароматических и гетероароматических ацетиленов к фуллеренилазиду.
Нас всегда привлекают начатые работы, поскольку они потенциально способны дать новые патенты. Так, электрохимические датчики движения на основе модифицированных углеродных электродов взялся исследовать в 2025-2027 гг. за 21 млн руб. от РНФ Центр молекулярной электроники МФТИ (Вадим Михайлович Агафонов). Проект направлен на решение научно-инженерной проблемы создания недорогого высокочувствительного датчика инерциального движения на основе современных массовых технологий по типу МЭМС. Принципиальной новизной предлагаемого проекта является использование для создания электродов электрохимических ячеек углеродных материалов, поверхность которых модифицирована как на макроскопическом уровне с характерными размерами структур от 1 до 100 микрон, так и наноуровне с помощью современных углеродных материалов (графен, нанотрубки и фуллерены). Проект направлен на создание научных основ для нового поколения сейсмических датчиков.
Заключение
После открытия фуллеренов 40 лет назад, электроника была одним из приоритетов в применении. НИОКТР были развёрнуты во всех передовых странах, в профильных вузах и научных центрах, внутри крупнейших производителей электроники.
Всплеск патентования в мире пришёлся на 2010-е годы, но потом снизился. Очевидно, разработки не оправдали научно-технические нано-электронные ожидания. Похоже, вырисовывается узко нишевое применение фуллеренов в электронике, например в гибких солнечных батареях, детекторах электромагнитных волн, датчиках движения.
В РФ ведутся ограниченные НИОКТР в считанных научных учреждениях московского региона (Черноголовка, Троицк, Долгопрудный, Мытищи). При этом финансирование слабое, гранты немногочисленные. Ни одно предприятие электроники не занимается фуллеренами. Отсюда и малое число патентов РФ на изобретения и полезные модели.
Патентов же нерезидентов в Роспатенте вообще нет; очевидно, иностранцев никак не интересуют российский сектор мирового рынка фуллереновой электроники.
О сервисе Онлайн Патент:
Онлайн Патент — цифровая система № 1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech‑решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн‑Патент и получите доступ к следующим услугам:
-
Онлайн‑регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
-
Подача заявки на внесение в реестр отечественного ПО;
-
Поиск по программам;
-
Регистрация программы в Роспатенте;
-
Регистрация товарных знаков;
-
Опции ускоренного оформления услуг;
-
Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
-
Мониторинги новых заявок по критериям;
-
Онлайн‑поддержку специалистов.
Источник: habr.com
