La electrónica orgánica es un campo de la ciencia de los materiales relacionado con el diseño, síntesis , caracterización y aplicación de moléculas o polímeros orgánicos 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 (a base de 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 potencial bajo costo en comparación con la electrónica tradicional. [1] [2] [3] 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 , su alto costo y diversos problemas de fabricación.
Los materiales conductores tradicionales son inorgánicos , especialmente metales como el cobre y el aluminio , así como muchas aleaciones . [ cita necesaria ]
En 1862, Henry Letheby describió la polianilina , que posteriormente demostró ser conductora de electricidad. 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 presentaba una conductividad de 1 S/cm (S = Siemens ). [4] En 1977, se descubrió que la oxidación mejoraba la conductividad del poliacetileno . El Premio Nobel de Química de 2000 fue otorgado conjuntamente a Alan J. Heeger , Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa por su trabajo sobre el poliacetileno y polímeros conductores relacionados. [5] Se han identificado muchas familias de polímeros conductores de electricidad, incluidos el politiofeno , el sulfuro de polifenileno y otros.
JE Lilienfeld [6] propuso por primera vez el transistor de efecto de campo en 1930, pero el primer OFET no se publicó hasta 1987, cuando Koezuka et al. construyó uno usando politiofeno [7] que muestra una conductividad extremadamente alta. Se ha demostrado que otros polímeros conductores actúan como semiconductores, y revistas de investigación destacadas informan semanalmente sobre compuestos recientemente sintetizados y caracterizados. Existen muchos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales . [8] [9] [10] [11] [12]
En 1987, Ching W. Tang y Steven Van Slyke produjeron el primer diodo orgánico en Eastman Kodak . [13]
En la década de 1950, se demostró que las moléculas orgánicas presentaban conductividad eléctrica. Específicamente, se demostró que el compuesto orgánico pireno forma sales complejas semiconductoras de transferencia de carga con halógenos . [14] En 1972, los investigadores encontraron conductividad metálica (conductividad comparable a la de un metal) en el complejo de transferencia de carga TTF-TCNQ .
André Bernanose [15] [16] fue la primera persona en observar la electroluminiscencia en materiales orgánicos . Ching W. Tang y Steven Van Slyke , [17] informaron sobre la fabricación del primer dispositivo OLED práctico en 1987. El dispositivo OLED incorporaba un motivo de estructura de doble capa compuesto de ftalocianina de cobre y un derivado de dianhídrido perilentetracarboxílico . [18]
En 1990, Bradley , Burroughes y Friend demostraron diodos emisores de luz de polímero . El paso de materiales moleculares a macromoleculares resolvió los problemas encontrados anteriormente con la estabilidad a largo plazo de las películas orgánicas y permitió fabricar fácilmente películas de alta calidad. [19] A finales de la década de 1990, se demostró que los dopantes electroluminiscentes altamente eficientes aumentaban drásticamente la eficiencia de emisión de luz de los OLED. [20] Estos resultados sugirieron que los materiales electroluminiscentes podrían desplazar la iluminación tradicional con filamentos calientes. Las investigaciones posteriores desarrollaron polímeros multicapa y el nuevo campo de la investigación y la producción de dispositivos de electrónica plástica y diodos emisores de luz orgánicos (OLED) creció rápidamente. [21]
Los materiales conductores orgánicos se pueden agrupar en dos clases principales: polímeros y sólidos y sales moleculares conductores . Los compuestos aromáticos policíclicos como el pentaceno y el rubreno suelen formar materiales semiconductores cuando se oxidan parcialmente.
Los polímeros conductores suelen ser típicamente intrínsecamente conductores o al menos semiconductores. A veces muestran propiedades mecánicas comparables a las de los polímeros orgánicos convencionales. Se pueden utilizar tanto la síntesis orgánica como técnicas avanzadas de dispersión para ajustar las propiedades eléctricas de los polímeros conductores , a diferencia de los conductores inorgánicos típicos . Las clases de polímeros conductores bien estudiadas incluyen poliacetileno , polipirrol , politiofenos y polianilina . El poli(p-fenilenvinileno) y sus derivados son polímeros semiconductores electroluminiscentes . Se han incorporado poli(3-alquiltiofenos) en prototipos de células solares y transistores .
Un OLED (diodo emisor de luz orgánico) consiste en una fina película de material orgánico que emite luz bajo estimulación de una corriente eléctrica. Un OLED típico consta de un ánodo, un cátodo, material orgánico OLED y una capa conductora. [23]
Los materiales orgánicos OLED se pueden dividir en dos familias principales: los basados en moléculas pequeñas y los basados en polímeros. Los OLED de molécula pequeña (SM-OLED) incluyen tintes fluorescentes y fosforescentes de tris (8-hidroxiquinolinato) aluminio [17] y dendrímeros conjugados . Los tintes fluorescentes se pueden seleccionar según el rango deseado de longitudes de onda de emisión ; A menudo se utilizan compuestos como perileno y rubreno . Los dispositivos basados en moléculas pequeñas suelen fabricarse mediante evaporación térmica al vacío . Si bien este método permite la formación de una película homogénea bien controlada ; se ve obstaculizado por el alto costo y la escalabilidad limitada. [24] [25] 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-fenilen vinileno) [26] 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.
Un transistor de efecto de campo orgánico (OFET) es un transistor de efecto de campo que utiliza moléculas o polímeros orgánicos 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 de portador de 20 a 40 cm 2 /(V·s). Otro material OFET popular es el pentaceno . Debido a su baja solubilidad en la mayoría de los disolventes orgánicos , es difícil fabricar transistores de película delgada ( TFT ) a partir del propio pentaceno utilizando métodos convencionales de fundición por rotación o recubrimiento por inmersión , pero este obstáculo se puede superar utilizando el derivado TIPS-pentaceno.
Las células solares orgánicas podrían reducir el coste de la energía solar en comparación con la fabricación de células solares convencionales. [27] Las células solares de película fina de silicio sobre sustratos flexibles permiten una reducción significativa de costes de la energía fotovoltaica de gran superficie por varias razones: [28]
Los sustratos poliméricos económicos como el tereftalato de polietileno (PET) o el policarbonato (PC) tienen el potencial de reducir aún más los costes en la energía fotovoltaica. Las células solares protomorfas demuestran ser un concepto prometedor para la energía fotovoltaica eficiente y de bajo coste sobre sustratos baratos y flexibles para la producción en grandes superficies, así como para aplicaciones pequeñas y móviles. [28]
Una ventaja de la electrónica impresa es que se pueden imprimir diferentes componentes eléctricos y electrónicos uno encima del otro, ahorrando espacio y aumentando la confiabilidad y, en ocasiones, 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. [29] Los dispositivos electrónicos basados en compuestos orgánicos se utilizan ahora ampliamente y se están desarrollando muchos productos nuevos. Sony presentó la primera pantalla de plástico flexible, a todo color y con velocidad de vídeo, hecha exclusivamente de materiales orgánicos ; [30] [31] pantalla de televisión basada en materiales OLED; También se encuentran disponibles productos electrónicos biodegradables basados en compuestos orgánicos y células solares orgánicas de bajo costo .
Los semiconductores de moléculas pequeñas suelen ser insolubles , lo que requiere su deposición mediante sublimación al vacío . Los dispositivos basados en polímeros conductores se pueden preparar mediante métodos de procesamiento en solución. Tanto el procesamiento en solución como los métodos basados en vacío producen películas amorfas y policristalinas con grado variable de desorden. Las técnicas de recubrimiento "húmedo" requieren que los polímeros se disuelvan en un disolvente volátil , se filtren y se depositen sobre un sustrato . Los ejemplos comunes de técnicas de recubrimiento a base de solventes incluyen la fundición por gota, el recubrimiento por rotación , el raspado, la impresión por inyección de tinta y la serigrafía . El spin-coating es una técnica ampliamente utilizada para la producción de películas delgadas en áreas pequeñas . Puede provocar un alto grado de pérdida de material. La técnica de la rasqueta produce una pérdida mínima de material y se desarrolló principalmente para la producción de películas delgadas en áreas grandes. La deposición térmica de moléculas pequeñas basada en vacío requiere la evaporación de moléculas de una fuente caliente. Luego, las moléculas se transportan a través del vacío hacia 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.
Los diodos semiconductores orgánicos convierten la luz en electricidad. La figura de la derecha muestra cinco materiales fotovoltaicos orgánicos de uso común. Los electrones de estas moléculas orgánicas pueden deslocalizarse 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 más bajo desocupado ( LUMO ), se denomina banda prohibida de los materiales fotovoltaicos orgánicos. Normalmente, la banda prohibida se encuentra en el rango de 1-4eV. [32] [33] [34]
La diferencia en la banda prohibida 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, típicamente óxido de indio y estaño . [35]
Un transistor de efecto de campo orgánico es un dispositivo de tres terminales (fuente, drenaje y compuerta). Los portadores de carga se mueven entre la fuente y el drenaje, y la puerta sirve para controlar la conductividad del camino. Existen principalmente dos tipos de transistores de efecto de campo orgánicos, basados en el transporte de carga de la capa semiconductora, a saber, el tipo p (como el dinafto[2,3- b :2′,3′- f ]tieno[3,2- b ]tiofeno, DNTT), [36] y tipo n (como éster metílico del ácido fenil C61 butírico, PCBM). [37] Ciertos semiconductores orgánicos también pueden presentar características tanto de tipo p como de tipo n (es decir, ambipolares). [38]
Esta tecnología permite la fabricación de productos electrónicos flexibles, de bajo coste y de gran superficie. [39] 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 grandes candidatos para la detección. [40]
Los polímeros conductores son más ligeros, 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 sólo incluye semiconductores orgánicos , sino también dieléctricos , conductores y emisores de luz orgánicos .
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 .
Medios relacionados con la electrónica orgánica en Wikimedia Commons