Electrónica orgánica

Circuito de lógica CMOS orgánico. El espesor total es inferior a 3 μm. Barra de escala: 25 mm

La electrónica orgánica es un campo de la ciencia de los materiales relacionado con el diseño, la síntesis, la caracterización y la aplicación de moléculas orgánicas o polímeros que muestran propiedades electrónicas deseables, como la conductividad. A diferencia de los conductores y semiconductores inorgánicos convencionales, los materiales electrónicos orgánicos se construyen a partir de moléculas o polímeros orgánicos (basados en carbono) utilizando estrategias sintéticas desarrolladas en el contexto de la química orgánica y la química de polímeros.

Uno de los beneficios prometidos de la electrónica orgánica es su bajo costo potencial en comparación con la electrónica tradicional. Las propiedades atractivas de los conductores poliméricos incluyen su conductividad eléctrica (que puede variar según las concentraciones de dopantes) y una flexibilidad mecánica comparativamente alta. Los desafíos para la implementación de materiales electrónicos orgánicos son su inferior estabilidad térmica, alto costo y diversos problemas de fabricación.

Historia

Polímeros conductores eléctricos

Los materiales conductores tradicionales son inorgánicos, especialmente metales como el cobre y el aluminio, así como muchas aleaciones.

En 1862, Henry Letheby describió la polianilina, que posteriormente demostró ser eléctricamente conductora. El trabajo sobre otros materiales orgánicos poliméricos comenzó en serio en la década de 1960. Por ejemplo, en 1963, se demostró que un derivado del tetrayodopirrol exhibía una conductividad de 1 S/cm (S = Siemens). En 1977, se descubrió que la oxidación mejoraba la conductividad del poliacetileno. El Premio Nobel de Química de 2000 fue otorgado a Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa conjuntamente por su trabajo sobre el poliacetileno y polímeros conductores relacionados. Se han identificado muchas familias de polímeros eléctricamente conductores, incluidos el politiofeno, el sulfuro de polifenileno y otros.

J.E. Lilienfeld propuso por primera vez el transistor de efecto de campo en 1930, pero el primer OFET no se informó hasta 1987, cuando Koezuka et al. construido con politiofeno que muestra una conductividad extremadamente alta. Se ha demostrado que otros polímeros conductores actúan como semiconductores, y los compuestos recién sintetizados y caracterizados se informan semanalmente en destacadas revistas de investigación. Existen muchos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales.

En 1987, Ching W. Tang y Steven Van Slyke produjeron el primer diodo orgánico en Eastman Kodak.

Transfiere sales de carga eléctricamente conductiva

En la década de 1950, se demostró que las moléculas orgánicas exhibían conductividad eléctrica. Específicamente, se demostró que el compuesto orgánico pireno forma sales complejas de transferencia de carga semiconductoras con halógenos. En 1972, los investigadores encontraron conductividad metálica (conductividad comparable a un metal) en el complejo de transferencia de carga TTF-TCNQ.

Conductividad ligera y eléctrica

André Bernanose fue la primera persona en observar electroluminiscencia en materiales orgánicos. Ching W. Tang y Steven Van Slyke informaron sobre la fabricación del primer dispositivo OLED práctico en 1987. El dispositivo OLED incorporó un motivo de estructura de doble capa compuesto por ftalocianina de cobre y un derivado del dianhídrido perilentetracarboxílico.

En 1990, Bradley, Burroughes, Friend demostraron un diodo emisor de luz de polímero. Pasar de materiales moleculares a macromoleculares resolvió los problemas encontrados anteriormente con la estabilidad a largo plazo de las películas orgánicas y permitió que se hicieran fácilmente películas de alta calidad. A fines de la década de 1990, se demostró que los dopantes electroluminiscentes altamente eficientes aumentan drásticamente la eficiencia de emisión de luz de los OLED. Estos resultados sugirieron que los materiales electroluminiscentes podrían desplazar la iluminación tradicional de filamento caliente. La investigación posterior desarrolló polímeros multicapa y el nuevo campo de investigación y producción de dispositivos de electrónica plástica y diodos orgánicos emisores de luz (OLED) creció rápidamente.

Materiales orgánicos conductores

Vista de la porción de la estructura de cristal de hexametileno TTF-TCNQ transferencia de sal de carga, destacando el apilamiento segregado. Tales semiconductores moleculares exhiben conductividad eléctrica anisotrópica.

Los materiales conductores orgánicos se pueden agrupar en dos clases principales: polímeros y sales y sólidos moleculares conductores. Los compuestos aromáticos policíclicos como el pentaceno y el rubreno a menudo forman materiales semiconductores cuando se oxidan parcialmente.

Los polímeros conductores suelen ser intrínsecamente conductores o al menos semiconductores. A veces muestran propiedades mecánicas comparables a las de los polímeros orgánicos convencionales. Tanto la síntesis orgánica como las técnicas de dispersión avanzadas se pueden utilizar para ajustar las propiedades eléctricas de los polímeros conductores, a diferencia de los conductores inorgánicos típicos. La clase bien estudiada de polímeros conductores incluye poliacetileno, polipirrol, politiofenos y polianilina. El poli(p-fenileno vinileno) y sus derivados son polímeros semiconductores electroluminiscentes. Se han incorporado poli(3-alquiltiofenos) en prototipos de células solares y transistores.

Diodo orgánico emisor de luz

Un OLED (diodo orgánico emisor de luz) consiste en una película delgada de material orgánico que emite luz bajo la estimulación de una corriente eléctrica. Un OLED típico consta de un ánodo, un cátodo, material orgánico OLED y una capa conductora.

Br6A, una nueva generación de luz orgánica pura emitiendo familia cristalina

Schematic of a bilayer OLED: 1. Cathode (−), 2. capa emisiva, 3. Emisión de radiación, 4. Capa conductora, 5. Anodo (+)

Los materiales orgánicos OLED se pueden dividir en dos familias principales: basados en moléculas pequeñas y basados en polímeros. Los OLED de molécula pequeña (SM-OLED) incluyen tintes fluorescentes y fosforescentes de tris (8-hidroxiquinolinato) aluminio y dendrímeros conjugados. Los tintes fluorescentes se pueden seleccionar de acuerdo con el rango deseado de longitudes de onda de emisión; a menudo se utilizan compuestos como el perileno y el rubreno. Los dispositivos basados en moléculas pequeñas generalmente se fabrican por evaporación térmica al vacío. Si bien este método permite la formación de una película homogénea bien controlada; se ve obstaculizada por el alto costo y la escalabilidad limitada. Los diodos emisores de luz de polímero (PLED) son generalmente más eficientes que los SM-OLED. Los polímeros comunes utilizados en los PLED incluyen derivados de poli(p-fenileno vinileno) y polifluoreno. El color emitido por la estructura del polímero. En comparación con la evaporación térmica, los métodos basados en soluciones son más adecuados para crear películas de grandes dimensiones.

Transistor de efecto de campo orgánico

Rubrene-OFET con mayor movilidad

Un transistor de efecto de campo orgánico es un transistor de efecto de campo que utiliza moléculas orgánicas o polímeros como capa semiconductora activa. Un transistor de efecto de campo (FET) es cualquier material semiconductor que utiliza un campo eléctrico para controlar la forma de un canal de un tipo de portador de carga, cambiando así su conductividad. Dos clases principales de FET son los semiconductores tipo n y tipo p, clasificados según el tipo de carga transportada. En el caso de los FET orgánicos (OFET), los compuestos OFET de tipo p son generalmente más estables que los de tipo n debido a la susceptibilidad de estos últimos al daño oxidativo.

En cuanto a los OLED, algunos OFET son moleculares y otros son sistemas basados en polímeros. Los OFET basados en Rubrene muestran una alta movilidad del portador de 20 a 40 cm²/(V·s). Otro material OFET popular es el pentaceno. Debido a su baja solubilidad en la mayoría de los solventes orgánicos, es difícil fabricar transistores de película delgada (TFT) a partir del propio pentaceno usando métodos convencionales de fundición por rotación o recubrimiento por inmersión, pero este obstáculo se puede superar usando los derivados TIPS- pentaceno.

Dispositivos electrónicos orgánicos

Pantalla flexible basada en orgánicos

Cinco estructuras de materiales fotovoltaicos orgánicos

Las celdas solares orgánicas podrían reducir el costo de la energía solar en comparación con la fabricación de celdas solares convencionales. Las células solares de película fina de silicio sobre sustratos flexibles permiten una reducción significativa de los costes de la energía fotovoltaica de gran superficie por varias razones:

1. La así llamada "roll-to-roll"-deposición en hojas flexibles es mucho más fácil de realizar en términos de esfuerzo tecnológico que la deposición en hojas de vidrio frágiles y pesadas.
2. El transporte e instalación de células solares flexibles ligeras también ahorra coste en comparación con las células en vidrio.

Los sustratos poliméricos económicos como el tereftalato de polietileno (PET) o el policarbonato (PC) tienen el potencial de reducir aún más los costos en la energía fotovoltaica. Las células solares protomorfas demuestran ser un concepto prometedor para la energía fotovoltaica eficiente y de bajo costo en sustratos baratos y flexibles para la producción de grandes áreas, así como para aplicaciones pequeñas y móviles.

Una de las ventajas de la electrónica impresa es que se pueden imprimir diferentes componentes eléctricos y electrónicos uno encima del otro, lo que ahorra espacio y aumenta la confiabilidad y, a veces, todos son transparentes. Una tinta no debe dañar a otra, y el recocido a baja temperatura es vital si se van a utilizar materiales flexibles de bajo costo, como papel y películas plásticas. Hay mucha ingeniería y química sofisticadas involucradas aquí, con iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co.|Merck, BASF, HC Starck, Hitachi Chemical y Frontier Carbon Corporation entre los líderes. Los dispositivos electrónicos basados en compuestos orgánicos ahora se usan ampliamente y se están desarrollando muchos productos nuevos. Sony informó sobre la primera pantalla de plástico flexible a todo color, con velocidad de video, hecha exclusivamente de materiales orgánicos; pantalla de televisión basada en materiales OLED; También se encuentran disponibles componentes electrónicos biodegradables basados en compuestos orgánicos y celdas solares orgánicas de bajo costo.

Métodos de fabricación

Los semiconductores de moléculas pequeñas suelen ser insolubles, por lo que es necesario depositarlos mediante sublimación al vacío. Los dispositivos basados en polímeros conductores se pueden preparar mediante métodos de procesamiento de soluciones. Tanto el procesamiento de soluciones como los métodos basados en vacío producen películas amorfas y policristalinas con un grado variable de desorden. "Mojado" Las técnicas de recubrimiento requieren que los polímeros se disuelvan en un solvente volátil, se filtren y se depositen sobre un sustrato. Los ejemplos comunes de técnicas de recubrimiento a base de solventes incluyen fundición por goteo, recubrimiento por rotación, raspado, impresión por inyección de tinta y serigrafía. El spin-coating es una técnica ampliamente utilizada para la producción de películas delgadas en áreas pequeñas. Puede resultar en un alto grado de pérdida material. La técnica de cuchilla rascadora da como resultado una pérdida mínima de material y se desarrolló principalmente para la producción de película delgada de área grande. La deposición térmica basada en vacío de moléculas pequeñas requiere la evaporación de moléculas de una fuente caliente. Luego, las moléculas se transportan a través del vacío sobre un sustrato. El proceso de condensación de estas moléculas en la superficie del sustrato da como resultado la formación de una película delgada. En algunos casos, las técnicas de recubrimiento húmedo se pueden aplicar a moléculas pequeñas dependiendo de su solubilidad.

Células solares orgánicas

Celda fotovoltaica orgánica

Los diodos semiconductores orgánicos convierten la luz en electricidad. La figura de la derecha muestra cinco materiales fotovoltaicos orgánicos de uso común. Los electrones en estas moléculas orgánicas se pueden deslocalizar en un orbital π deslocalizado con un orbital antienlazante π* correspondiente. La diferencia de energía entre el orbital π, u orbital molecular ocupado más alto (HOMO), y el orbital π*, u orbital molecular desocupado más bajo (LUMO), se denomina banda prohibida de materiales fotovoltaicos orgánicos. Por lo general, la brecha de banda se encuentra en el rango de 1-4eV.

La diferencia en la brecha de banda de los materiales fotovoltaicos orgánicos conduce a diferentes estructuras químicas y formas de células solares orgánicas. Las diferentes formas de células solares incluyen células fotovoltaicas orgánicas de una sola capa, células fotovoltaicas orgánicas de dos capas y células fotovoltaicas de heterounión. Sin embargo, estos tres tipos de células solares comparten el enfoque de intercalar la capa electrónica orgánica entre dos conductores metálicos, normalmente óxido de indio y estaño.

Ilustración del dispositivo transistor de película delgada

Transistores orgánicos de efecto de campo

Un transistor de efecto de campo orgánico es un dispositivo de tres terminales (fuente, drenaje y puerta). Los portadores de carga se mueven entre la fuente y el drenaje, y la puerta sirve para controlar la conductividad de la ruta. Existen principalmente dos tipos de transistores de efecto de campo orgánico, basados en el transporte de carga de la capa semiconductora, a saber, tipo p (como dinaphtho[2,3-b:2′,3 '-f]tieno[3,2-b]tiofeno, DNTT) y de tipo n (como éster metílico del ácido butírico fenil C61, PCBM). Ciertos semiconductores orgánicos también pueden presentar características de tipo p y tipo n (es decir, ambipolares).

Esta tecnología permite la fabricación de componentes electrónicos de bajo costo, flexibles y de gran superficie. Una de las principales ventajas es que, al ser principalmente un proceso de baja temperatura en comparación con CMOS, se pueden utilizar diferentes tipos de materiales. Esto los convierte a su vez en excelentes candidatos para la detección.

Características

Los polímeros conductores son más livianos, más flexibles y menos costosos que los conductores inorgánicos. Esto los convierte en una alternativa deseable en muchas aplicaciones. También crea la posibilidad de nuevas aplicaciones que serían imposibles usando cobre o silicio.

La electrónica orgánica no solo incluye semiconductores orgánicos, sino también dieléctricos orgánicos, conductores y emisores de luz.

Las nuevas aplicaciones incluyen ventanas inteligentes y papel electrónico. Se espera que los polímeros conductores desempeñen un papel importante en la ciencia emergente de las computadoras moleculares.