La electrónica orgánica es un campo de la ciencia de los materiales que se ocupa del diseño, la síntesis , la caracterización y la aplicación de moléculas o polímeros orgánicos que presentan 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 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 estabilidad térmica inferior , 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 requerida ]
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 exhibía 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 a Alan J. Heeger , Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa conjuntamente 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] fue el primero en proponer el transistor de efecto de campo en 1930, pero el primer OFET no se publicó hasta 1987, cuando Koezuka et al. construyeron uno utilizando politiofeno [7] que muestra una conductividad extremadamente alta. Se ha demostrado que otros polímeros conductores actúan como semiconductores, y los compuestos recién sintetizados y caracterizados se publican semanalmente en importantes revistas de investigación. Existen muchos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales . [8] [9] [10] [11] [12]
En 1987, el primer diodo orgánico fue producido en Eastman Kodak por Ching W. Tang y Steven Van Slyke . [13]
En la década de 1950, se demostró que las moléculas orgánicas exhibían conductividad eléctrica. En concreto, se demostró que el compuesto orgánico pireno formaba sales complejas de transferencia de carga semiconductoras con halógenos . [14] En 1972, los investigadores encontraron conductividad metálica (conductividad comparable a un metal) en el complejo de transferencia de carga TTF-TCNQ .
André Bernanose [15] [16] fue la primera persona en observar 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 del dianhídrido perilenotetracarboxílico . [18]
En 1990, Bradley , Burroughes y Friend demostraron la fabricación de diodos emisores de luz de polímero . El paso de materiales moleculares a macromoleculares resolvió los problemas que se habían planteado anteriormente con la estabilidad a largo plazo de las películas orgánicas y permitió fabricar fácilmente películas de alta calidad. [19] A finales de los años 1990, se demostró que los dopantes electroluminiscentes de alta eficiencia aumentaban drásticamente la eficiencia de emisión de luz de los OLED [20] . Estos resultados sugirieron que los materiales electroluminiscentes podrían desplazar la iluminación tradicional de filamento caliente. Las investigaciones posteriores desarrollaron polímeros multicapa y el nuevo campo de la electrónica plástica y la investigación y producción de dispositivos de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) creció rápidamente. [21]
Los materiales conductores orgánicos se pueden agrupar en dos clases principales: polímeros y sólidos moleculares conductores y sales. Los compuestos aromáticos policíclicos como el pentaceno y el rubreno suelen formar 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 avanzadas de dispersión se pueden utilizar para ajustar las propiedades eléctricas de los polímeros conductores , a diferencia de los conductores inorgánicos típicos. La clase de polímeros conductores bien estudiada incluye poliacetileno , polipirrol , politiofenos y polianilina . El poli(p-fenileno vinílico) y sus derivados son polímeros semiconductores electroluminiscentes . Los poli(3-alquiltiofenos) se han incorporado a prototipos de células solares y transistores .
Un OLED (diodo orgánico emisor de luz) consiste en una película delgada de material orgánico que emite luz cuando se estimula con una corriente eléctrica. Un OLED típico consiste en un ánodo, un cátodo, material orgánico OLED y una capa conductora. [23]
Los materiales orgánicos OLED se pueden dividir en dos familias principales: basados en moléculas pequeñas y basados en polímeros. Los OLED de moléculas pequeñas (SM-OLED) incluyen tris(8-hidroxiquinolinato)aluminio [17], tintes fluorescentes y fosforescentes 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 perileno y rubreno . Los dispositivos basados en moléculas pequeñas generalmente se fabrican mediante evaporación térmica al vacío . Si bien este método permite la formación de una película homogénea bien controlada , se ve obstaculizado por un alto costo y una 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 PLED incluyen derivados de poli(p-fenileno vinílico) [26] y polifluoreno . El color emitido está determinado 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 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 de tipo n y de 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 rubreno muestran una alta movilidad de portadores de 20-40 cm 2 /(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 utilizando métodos convencionales de fundición por centrifugación 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 del coste 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 costos de la energía fotovoltaica. Las células solares protomorfas resultan ser un concepto prometedor para la energía fotovoltaica eficiente y de bajo costo en sustratos baratos y flexibles para la producción en grandes áreas, 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 sobre otro, ahorrando espacio y aumentando la fiabilidad, y a veces son todos 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 coste, como papel y película de plástico . Aquí intervienen mucha ingeniería y química sofisticadas, con iTi, Pixdro, Asahi Kasei, Merck & Co.|Merck, BASF, HC Starck, Sunew, Hitachi Chemical y Frontier Carbon Corporation entre los líderes. [29] Los dispositivos electrónicos basados en compuestos orgánicos se utilizan ahora ampliamente, y hay muchos productos nuevos en desarrollo. Sony informó de 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 están disponibles productos electrónicos biodegradables basados en compuestos orgánicos y células solares orgánicas de bajo coste .
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 en solución. Tanto el procesamiento en solución como los métodos basados en vacío producen películas amorfas y policristalinas con un 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 basadas en disolventes incluyen la fundición por goteo, el recubrimiento por centrifugación , el raspado con cuchilla, la impresión por inyección de tinta y la serigrafía . El recubrimiento por centrifugación es una técnica ampliamente utilizada para la producción de películas delgadas de áreas pequeñas . Puede dar como resultado un alto grado de pérdida de material. La técnica del raspado con cuchilla da como resultado una pérdida mínima de material y se desarrolló principalmente para la producción de películas delgadas de áreas grandes. 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. Las técnicas de recubrimiento húmedo se pueden aplicar en algunos casos a moléculas pequeñas según 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 en 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 desocupado más bajo ( LUMO ), se denomina brecha de banda de los materiales fotovoltaicos orgánicos. Normalmente, la brecha de banda se encuentra en el rango de 1 a 4 eV. [32] [33] [34]
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 heterojunción . 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 orgánico de efecto de campo es un dispositivo de tres terminales (fuente, drenador y compuerta). Los portadores de carga se mueven entre la fuente y el drenador, y la compuerta sirve para controlar la conductividad del camino. Existen principalmente dos tipos de transistores orgánicos de efecto de campo, 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 el tipo n (como el 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 fabricar componentes electrónicos de gran superficie, flexibles y de bajo coste. [39] Una de las principales ventajas es que, al tratarse principalmente de un proceso de baja temperatura en comparación con el CMOS, se pueden utilizar distintos tipos de materiales, lo que los convierte a su vez en excelentes candidatos para la detección. [40]
Los polímeros conductores son más ligeros, más flexibles y menos costosos que los conductores inorgánicos, lo que los convierte en una alternativa deseable en muchas aplicaciones. También crea la posibilidad de nuevas aplicaciones que serían imposibles utilizando cobre o silicio.
La electrónica orgánica no sólo incluye semiconductores orgánicos , sino también dieléctricos orgánicos , conductores y emisores de luz .
Entre las nuevas aplicaciones se incluyen las ventanas inteligentes y el papel electrónico . Se espera que los polímeros conductores desempeñen un papel importante en la ciencia emergente de las computadoras moleculares .
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