Electrónica orgánica - Organic electronics
La electrónica orgánica es un campo de la ciencia de los materiales que se relaciona 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 (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 posible bajo costo 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 estabilidad térmica inferior , alto costo y diversos problemas de fabricación.
Historia
- Polímeros conductores de electricidad
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 se demostró que era conductora de electricidad. El trabajo en 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 ). 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 poliacetileno y polímeros conductores relacionados. Se han identificado muchas familias de polímeros conductores de electricidad que incluyen politiofeno , sulfuro de polifenileno y otros.
JE 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. construyó uno 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 importantes revistas de investigación. Existen muchos artículos de revisión que documentan el desarrollo de estos materiales .
En 1987, la primera orgánico diodo fue producido en Eastman Kodak por Ching W. Tang y Steven Van Slyke .
- Sales de transferencia de carga eléctricamente conductoras
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 semiconductoras de transferencia de carga con halógenos . En 1972, los investigadores encontraron conductividad metálica (conductividad comparable a un metal) en el complejo de transferencia de carga TTF-TCNQ .
- Conductividad eléctrica y lumínica
André Bernanose fue la primera persona en observar electroluminiscencia en materiales orgánicos , y Ching W. Tang, informó la fabricación de un dispositivo OLED en 1987. El dispositivo OLED incorporó un motivo de estructura de doble capa compuesto de ftalocianina de cobre y un derivado de dianhídrido perilentetracarboxílico .
En 1990, Bradley , Burroughes , Friend demostró un polímero de diodos emisores de luz . 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. A fines de la década de 1990, se demostró que los dopantes electroluminiscentes altamente eficientes aumentaban drásticamente la eficiencia de emisión de luz de los OLED. Estos resultados sugirieron que los materiales electroluminiscentes podrían desplazar la iluminación tradicional de filamentos calientes. La investigación posterior desarrolló polímeros multicapa y el nuevo campo de la investigación y la producción de dispositivos electrónicos de plástico y diodos emisores de luz orgánicos (OLED) creció rápidamente.
Materiales orgánicos conductores
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 a menudo forman materiales semiconductores cuando se oxidan parcialmente.
Los polímeros conductores son a menudo 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 . Las clases bien estudiadas de polímeros conductores incluyen poliacetileno , polipirrol , politiofenos y polianilina . El poli (p-fenileno vinileno) y sus derivados son polímeros semiconductores electroluminiscentes . Se han incorporado poli (3-alquitiofenos) en prototipos de células solares y transistores .
Diodo orgánico emisor de luz
Un OLED (diodo emisor de luz orgánica) 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.
Los materiales orgánicos OLED se pueden dividir en dos familias principales: a base de moléculas pequeñas y a base de 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 se suelen fabricar 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. 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 vinileno) y polifluoreno . El color emitido por la estructura del polímero. En comparación con la evaporación térmica, los métodos basados en solución son más adecuados para crear películas de grandes dimensiones.
Transistor de efecto de campo orgánico
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 de tipo ny 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 del portador de 20–40 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 revestimiento por inmersión , pero este obstáculo se puede superar utilizando el derivado TIPS-pentaceno.
Dispositivos electrónicos orgánicos
Las células solares orgánicas podrían reducir el costo de la energía solar en comparación con la fabricación de células solares convencionales. Las células solares de película delgada de silicio sobre sustratos flexibles permiten una reducción significativa de los costos de la energía fotovoltaica de gran superficie por varias razones:
- La llamada deposición " rollo a rollo " sobre láminas flexibles es mucho más fácil de realizar en términos de esfuerzo tecnológico que la deposición sobre láminas de vidrio frágiles y pesadas .
- El transporte y la instalación de células solares ligeras y flexibles también ahorran costes en comparación con las células de vidrio.
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 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 ventaja 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, 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 película plástica . 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 utilizan ampliamente y se están desarrollando muchos productos nuevos. Sony informó sobre la primera pantalla de plástico flexible a todo color, con velocidad de video, fabricada exclusivamente con materiales orgánicos ; 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 .
Métodos de fabricación
Los semiconductores de molécula pequeña a menudo son insolubles y requieren 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 un grado variable de desorden. Las técnicas de revestimiento "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 fundición por gota, recubrimiento por rotación , raspado, impresión por chorro de tinta y serigrafía . El recubrimiento por rotación es una técnica ampliamente utilizada para la producción de películas delgadas en áreas pequeñas . Puede resultar en un alto grado de pérdida de material. La técnica de la rasqueta da como resultado una pérdida mínima de material y se desarrolló principalmente para la producción de películas delgadas en áreas grandes. La deposición térmica al 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
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 se pueden deslocalizar en un orbital π deslocalizado con un orbital antienlazante π * correspondiente . La diferencia de energía entre el orbital π, o el orbital molecular ocupado más alto ( HOMO ), y el orbital π *, o el orbital molecular desocupado más bajo ( LUMO ) se denomina banda prohibida de los materiales fotovoltaicos orgánicos. Normalmente, la banda prohibida se encuentra en el rango de 1-4eV.
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 bicapa 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 .
Transistores orgánicos de efecto de campo
Un transistor de efecto de campo orgánico consta de tres componentes principales: la fuente, el drenaje y la puerta . Generalmente, un transistor de efecto de campo tiene dos placas , la fuente en contacto con el drenaje y la puerta respectivamente, que funcionan como canal conductor . Los electrones se mueven de la fuente al drenaje y la puerta sirve para controlar el movimiento de los electrones desde la fuente al drenaje. Los diferentes tipos de FET se diseñan en función de las propiedades del operador . El transistor de película delgada ( TFT ), entre ellos, es fácil de fabricar. En un transistor de película delgada , la fuente y el drenaje se hacen depositando directamente una capa delgada de semiconductor seguida de una película delgada de aislante entre el semiconductor y el contacto de la puerta metálica. Una película tan delgada se obtiene mediante evaporación térmica o simplemente mediante recubrimiento por centrifugación. En un dispositivo TFT, no hay movimiento de portador entre la fuente y el drenaje. Después de aplicar una carga positiva , la acumulación de electrones en la interfaz provoca la flexión del semiconductor y, en última instancia, reduce la banda de conducción con respecto al nivel de Fermi del semiconductor. Finalmente, se forma un canal altamente conductor en la interfaz .
Características
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 con 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 .
Ver también
- Recocido
- Bioplástico
- Nanotubo de carbono
- Deposición de circuito
- Tinta conductora
- Pantalla flexible
- Laminado
- Melanina
- Transistor de efecto de campo orgánico (OFET)
- Semiconductor orgánico
- Diodo emisor de luz orgánico (OLED)
- Fotodetector
- Electrónica impresa
- Identificación de frecuencia de radio
- Etiqueta de radio
- Escándalo de Schön
- Recubrimiento por centrifugación
Referencias
Otras lecturas
- Grasser, Tibor., Meller, Gregor. Baldo, Marc. (Eds.) (2010) Electrónica orgánica Springer, Heidelberg. ISBN 978-3-642-04537-0 (impreso) 978-3-642-04538-7 (en línea)
- Baracus, BA; Weiss, DE (1963). "Conducción electrónica en polímeros. II. La reducción electroquímica de polipirrol a potencial controlado". Aust. J. Chem . 16 (6): 1076–1089. doi : 10.1071 / CH9631076 .
- Bolto, BA; McNeill, R .; Weiss, DE (1963). "Conducción electrónica en polímeros. III. Propiedades electrónicas del polipirrol". Aust. J. Chem . 16 (6): 1090-1103. doi : 10.1071 / CH9631090 .
- Silencio, Noel S. (2003). "Una visión general del primer medio siglo de la electrónica molecular". Ana. NY Acad. Sci . 1006 (1): 1–20. Código Bib : 2003NYASA1006 .... 1H . doi : 10.1196 / annals.1292.016 . PMID 14976006 .
- Procesos electrónicos en cristales y polímeros orgánicos, 2 ed. por Martin Pope y Charles E. Swenberg, Oxford University Press (1999), ISBN 0-19-512963-6
- Manual de electrónica orgánica y fotónica (conjunto de 3 volúmenes) por Hari Singh Nalwa, American Scientific Publishers. (2008), ISBN 1-58883-095-0
enlaces externos
-
Medios relacionados con la electrónica orgánica en Wikimedia Commons - orgworld : página de inicio de Organic Semiconductor World .
