Elecronica Organica. LG

7/30/2019 Elecronica Organica. LG

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Elaborado Por: Luis Guillermo Durango Mercado

Electrnica orgnica

La electrnica orgnica naci en 1977con el descubrimiento de los polme-

ros conductores, por parte de Hide-ko Shirakawa, Alan Heeger y Alan Ma-cDiarmi. Este descubrimiento los con-dujo a ganarse el premio Nobel de qu-mica en el ao 2000.Los materiales orgnicos se dividen encompuestos, de pocas molculas (mo-nmeros y oligmeros) y en compuestosde grandes cantidades de molculas ocompuestos polimricos. Estos mate-riales tienen la capacidad de conducirenerga y emitir luz gracias a que tie-

nen una conguracin especca, de-nominada conjugacin. Esta congura-cin se caracteriza por la alternacin deenlaces simples y dobles en la cadenaprincipal de estos materiales.Los materiales orgnicos con propie-dades electrnicas y optoelectrnicashan sido toda una revolucin en la in-dustria electrnica, la cual los ha co-menzado a implementar en pantallaspara celulares, televisores, celdas o-tovoltaicas, lseres, etc., adems deimplementar nuevas aplicaciones ta-les como, papel electrnico, mscu-los articiales, ventanas inteligentes,nervios articiales, entre otras.La electrnica orgnica an no alcanzael desempeo de la electrnica tradi-cional del silicio y el germanio, pero enel mediano plazo, se espera que reem-place a los semiconductores inorgni-cos en el campo optoelectrnico, gra-cias a su acilidad de abricacin, bajo

precio y mejor desempeo. En el largo

plazo, se espera que los semiconduc-tores orgnicos mejoren su velocidad

y puedan competir con la electrnicatradicional en todos los campos.

IntroduccinLa vertiginosa velocidad con que sedan los avances en la industria electr-nica, conlleva a la bsqueda de nue-vos materiales y campos de aplicacinde los dispositivos electrnicos. Comoresultado de esta bsqueda, nace laelectrnica orgnica, la cual se ree-re a los materiales orgnicos (que son

aquellos que estn constituidos porcarbono principalmente y que se en-lazan generalmente con unos pocoselementos, entre los cuales, los princi-pales son: carbono, hidrgeno, oxge-no y nitrgeno) que tienen un rol acti-vo en la industria electrnica, es decir,aquellos materiales que cumplen un-ciones anlogas a los semiconducto-res y conductores y que los pueden re-emplazar en muchas aplicaciones, conmejor rendimiento y ms bajo costo deabricacin, adems de crear nuevoscampos de aplicacin, tales como elpapel electrnico, las pantallas fexi-bles, las ventanas inteligentes, ms-culos y nervios articiales. etc.Esta rama de la electrnica nace en1978, cuando el japons Hideko Shi-rakawa en colaboracin con Alan Hee-ger y Alan MacDiarmi de la Universi-dad de Pensilvania, descubren los po-lmeros conductores y publican su des-

cubrimiento en el articulo Synthesis

o electrically contucting organic po-lymers: Halogen derivatives o polya-

cetilene (CH)n, en el diario de la so-ciedad qumica, Chemical Comunica-tions. El descubrimiento ue conside-rado como un gran suceso, tanto que,Shirakawa, MacDiarmi y Heeger ue-ron galardonados con el premio Nobelde qumica en el ao 2000 1.Estos materiales orgnicos conducto-res, han sido objeto de muchas inves-tigaciones y desarrollos, tanto que en1985 A. Tsumura, H. Koezuka y T. An-do abrican el primer dispositivo con

esta tecnologa, un FET orgnico, y alao siguiente Ching W. Tang y StevenA. Van Slyke de Eastman Kodak abri-can el primero LED orgnico, basadoen molculas orgnicas de bajo pesomolecular. La cadena de adelantos con-tinu con la abricacin del primer LEDorgnico polimrico en 1990, por partede Jeremy Burroughs y sus colegas Ri-chard Friend y Donald Bradley del labo-ratorio Cavendish de la Universidad deCambridge en el Reino Unido y en 1997con el lanzamiento al mercado del pri-mer producto con esta tecnologa, undisplay de color verde en un radio dela Pioneer. A partir de esta echa la in-dustria a desarrollado papel electrni-co, bateras orgnicas, OLEDs (LEDs or-gnicos), OFETs (FETs orgnicos), mo-nitores, condensadores, chips y un sinnmero de dispositivos y nuevas apli-caciones basadas en materiales org-nicos. Esta nueva tecnologa no reem-

plazar en el corto y mediano plazo a latecnologa del silicio, debido a que susvelocidades de conmutacin no son lasapropiadas, pero se espera que en lar-

ENTREGA 1

La electrnica orgnica an no alcanza el desempeo de la electrnica tradicional del silicio y elgermanio, pero en el mediano plazo se espera que reemplace a los semiconductores inorgnicos en elcampo optoelectrnico, gracias a su facilidad de fabricacin, bajo precio y mejor desempeo.

1 AMRUTRAO PATIL, Satish. Ladder Polymer for Photonic Applications. [en linea], s.l. Universidad de Bergischen,

ebrero de 2004. p. 13 [consulta: 15 de octubre de 2004].


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go plazo, estas velocidades se alcanceny domine una gran variedad de aplica-ciones que hoy en da se basan en elsilicio, debido a que esta nueva tecno-

loga presenta un costo de manuactu-ra ms bajo y en algunas aplicacionesmejor rendimiento.Por la importancia que tienen estosavances tecnolgicos en la rama de laelectrnica, se decidi hacer como tra-bajo de grado este texto, titulado Elec-trnica Orgnica, que es una recopila-cin en orma general del estado actualde esta tecnologa, como texto introduc-torio, en el cual puedan encontrar losundamentos y aplicaciones de la elec-

trnica orgnica, con el n de que ad-quieran un concepto mucho ms am-plio de sta, que es, una de las vertien-tes tecnolgicas con ms perspectivasa principios de este siglo.

Semiconductores orgnicosLos materiales orgnicos son compues-tos que basan su estructura en el to-mo de carbono. Este al igual que el si-licio y el germanio hace parte del gru-po IV de la tabla peridica y como es

caracterstica de los elementos de es-te grupo, tiene una valencia de cuatro,lo que le permite enlazarse con cuatrotomos ms. El carbono como tambinlos dems elementos del grupo IV pre-sentan una distribucin electrnica quetermina en s p , que determina que so-lo son capaces de ormar dos enlaces,pero esto est muy alejado de la reali-dad, en donde como ya mencionamosse enlazan con cuatro tomos, enton-ces, Como es posible que se ormencuatro enlaces?. Para responder estapregunta primero tenemos que conocerunos conceptos bsicos acerca de lostomos, como son los de: orbital, hibri-dacin y enlaces atmicos.

1.1 OrbitalLos electrones, como se descubri aprincipios del siglo XX con los trabajosde Planck2 , Einstein3 , de Broglie4 , Hei-

senberg5

y Schrdinger6

, presentanun comportamiento dual entre onda ypartcula, y este comportamiento con-duce a que no se les pueda atribuir unaposicin ja, sino tan solo, un volumenen el espacio en donde la probabilidadde encontrar un electrn es mucho ma-yor. A esta porcin en el espacio se ledenomina orbital. Del principio de ex-clusin postulado por Pauli, para sis-temas conormados por ermiones, sedetermin que dos partculas subat-

micas no pueden existir, en un mismoinstante y lugar, con los mismos nme-ros cunticos, es decir, no pueden te-ner la misma energa, momento angu-lar y momento de espin. Para hacerlo,deben dierir en por lo menos uno deestos nmeros. De acuerdo con esto,en un orbital, a lo sumo pueden estardos electrones en el mismo instante,siempre y cuando tengan espines di-erentes, es decir, antiparalelos.Los trabajos de los cientcos citados

arriba, determinan que un tomo estconormado por un ncleo que constade protones con carga positiva y neu-trones sin carga, que tienen la uncinde mantener unidos a los protones quemutuamente se repelen. Alrededor delncleo giran electrones en un nmerotal que las cargas negativas son igualesque las cargas positivas en el ncleo ymantienen una neutralidad de cargasen el tomo, adems, estos electronesslo pueden ocupar capas o niveles deenerga discretos, los cuales solo pue-den contener un nmero jo de electro-nes. Sin embargo, cada capa o nivel deenerga se divide en subniveles o sub-capas, de dierentes energas discre-

tas. Dependiendo del nmero de pro-tones del ncleo, los electrones de laperieria, van llenando ordenadamentecada subnivel de cada nivel de energa

permitido, hasta que todos los electro-nes estn ubicados energticamente.Por lo tanto, los electrones, que puedenser denidos como una partcula unda-mental u onda estacionaria, con carganegativa, pueden ser ubicados en untomo, teniendo en cuenta su nivel deenerga o capa que ocupan y el sub-nivel o subcapa de energa en la quese encuentran. En el tomo, los elec-trones tienen unas unciones de pro-babilidad de existencia llamadas orbi-

tales, las cuales adoptan, segn PaulaYurkanis7, dierentes ormas de acuer-do a la subcapa que ocupen y dieren-tes tamaos de acuerdo a la capa enque se encuentren. Estos orbitales enla prctica son de cuatro tipos: s, p, d,y . Los orbitales s, son esricos y sinorientacin, los orbitales p tienen or-ma de reloj de arena y se orientan a lolargo de los tres ejes cartesianos, y losorbitales d y tienen ormas y orienta-ciones mucho ms complejas, pero en

el estudio de los semiconductores, notienen relevancia. Teniendo en cuentaque en la prctica hay cuatro tipos deorbitales, se puede inerir que tambinen la prctica solo hay mximo cuatrosubcapas en cada nivel de energa.Tambin cabe anotar que en las capasllenas, siempre los orbitales contienendos electrones.

z

xy

z

x

y

pz

z

x

y

py

z

x

y

px

Figura 1. Orbital 1S.

Figura 2. Orbitales tipo P.

2Radiacin de cuerpo negro.

3 Eecto otoelctrico.

4 Postulado de dualidad onda-partcula.

5 Principio de incertidumbre.

6 Ecuacin de onda de Schdinger.7 BRUICE, Paula Yurkanis. Organic Chemistry. Second

edition. New York: Prentice hall. 1998. p.16


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En un tomo individual a los orbitalesse les denomina orbitales atmicos,pero cuando dos tomos se unen pa-ra ormar molculas, a los orbitales de

los electrones que mantienen unidosa los tomos, se les denomina orbita-les moleculares.

1.2 HibridacinLa naturaleza, como dice Fred Hoyle8,es amante de estar siempre energti-camente relajada y sin tensiones, ra-zn por lo cual en todo momento tien-de a estar en el nivel de energa msbajo que permitan las condiciones am-bientales. Esto conduce a la regla de

mxima multiplicidad de Hund, la cualdice que en los orbitales atmicos, lamayor estabilidad (menor energa) selogra cuando los espines electrnicosse encuentran desapareados. Esta re-gla signica que, en una capa o nivelde energa, un orbital no contendrdos electrones, hasta que todas lassubcapas de ese nivel no estn ocu-padas por lo menos con un electrn.De esta manera, cuando no tomamosen cuenta la regla de Hund al hacer

la distribucin electrnica, estamoscometiendo una equivocacin, y pa-ra solucionarla tenemos que tener encuenta un proceso denominado pro-mocin electrnica, el cual se ve enla gura 3 y consiste en promocionarelectrones que orman pares, a orbita-les vacos de la misma capa. Este e-nmeno es posible ya que la dieren-cia de energa entre los orbitales s y pde una misma capa, es generalmentedel mismo orden de magnitud que laenerga de enlace9 . La regla de Hundy el proceso de la promocin electrni-ca responden la pregunta de por qulos tomos del grupo IV orman cuatroenlaces y no dos. Sin embargo, depen-diendo de las condiciones energticasen las que se encuentren los tomos almomento de ormar molculas, los di-

erentes tipos de orbitales de una ca-pa estn en la capacidad de mezclar-se en su totalidad o parcialmente pa-ra ormar orbitales hbridos. Este pro-

ceso de mezcla se denomina hibrida-cin y consiste en combinar orbitalesatmicos con el n de producir igualnmero de orbitales atmicos mezcla-dos, pero de caractersticas dierentesa los originales10. Los dierentes tiposde hibridacin que se pueden dar enlos tomos del grupo IV son: sp3, sp2y sp (ver gura 3). Estas se caracteri-zan porque en la primera, los tres or-bitales atmicos p y el orbital atmicos se han mezclado para ormar cua-

tro orbitales hbridos, en la segundasolo el orbital atmico s y dos de losp se han mezclado, ormando tres or-bitales hbridos y quedando el tercerorbital atmico p sin hibridizar, y en latercera solo el orbital s y un orbital pse han mezclado para ormar dos or-bitales hbridos, quedando dos orbita-les p en su estado original.

1.3 Enlaces atmicosCuando dos tomos se unen para or-mar una molcula, siempre la mol-cula resultante tendr menos energa

que los dos tomos individuales, de locontrario, la unin no se dara y estoes debido a que como ya dijimos, lanaturaleza siempre tiende a estar en

su estado de menor energa. En el ca-so de las molculas ormadas por loselementos del grupo IV, estas se or-man, cuando los tomos involucradosen el enlace comparten sus electronesde valencia (electrones desapareadosde la ltima capa), este mecanismo sedenomina enlace covalente. Este tipode enlace se da mediante el traslapode dos orbitales atmicos, y esta inte-raccin da como resultado la orma-cin de dos orbitales moleculares de

dierentes caractersticas. Para enten-der esto, recordemos que los electro-nes son ondas estacionarias y comoya sabemos los orbitales representana los electrones. Por lo tanto, en esteorden de ideas, cuando dos orbitalesse traslapan o se unen generan unaunin que tiene la posibilidad de dar-se de dos maneras. Una de esas posi-

bilidades es que las dos unciones deprobabilidad u orbitales estn en ase(propiedad de las ondas) y que amboselectrones tengan espines opuestos(antiparalelos). Esta opcin, como di-ce Paula Yurkanis11, origina un orbitalmolecular que se caracteriza por te-

ner una densidad electrnica muy al-ta, debido a que al estar en ase losdos electrones, signica que estos lamayora del tiempo estarn juntos, lo

1s

2s 2s2p 2p

2sp3

2sp

2sp3 2p

Hibridacin

Promocin

Hibridacin

Hibridacin

2p 2p

Figura 3. Tipos de hibridacin de los tomos del grupo IV.

8 HOYLE, Fred. Astronoma. Ediciones Destino, Barcelona (Espaa), 1962. Pg. 239.9 NASSAU, Kurt. Las causas del dolor. Investigacin y ciencia. Prensa cientca S.A. Barcelona (Espa-

a). N. 51. Dic 1980. Pg.56.10 GARCIA, Arcesio, AUBAD, Aquilino, ZAPATA, Rubn. Hacia la qumica 2. Primera edicin. Bogota:

Editorial Temis, 1995. p. 2811 BRUICE, Op. Cit, p.16


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cual ayuda a mantener a los dos to-mos juntos, ya que cuando en el me-dio de dos ncleos estn presenteselectrones, estos reducen la repulsin

electrosttica entre los protones. El he-cho de que los electrones estn en a-se y tengan espines opuestos condu-ce a que este orbital molecular se ca-racterice por ser muy estable (este enun nivel energtico bajo).Este orbital molecular se denomina en-lace orbital molecular. La otra opcines que los electrones estn desasa-dos y puedan tener espines paralelos,lo que genera un orbital molecular de-

nominado antienlace orbital molecular,como escribe Raoul Schroeder12, debi-do a que al estar desasados, la den-sidad electrnica entre los ncleos es

muy baja y esto origina que la repul-sin electrosttica entre los protones nose reduzca. Tambin, tener la posibili-dad de que bajo ciertas circunstanciasque no violan el principio de exclusinde Pauli, los electrones tengan el mis-mo espn, genera inestabilidad. Por lotanto, este antienlace orbital molecu-lar, es un orbital que se caracteriza porser inestable e ir en contra de la exis-tencia de la molcula, y de esta orma

presentar un nivel de energa muchomayor al anterior. Por lo tanto cuandolos electrones se encuentran en el or-bital enlazante y el orbital antienlazan-

te est vaci la molcula est en su ni-vel de mayor estabilidad (menor ener-ga), pero cuando los electrones se en-cuentran en el orbital antienlazante, sisolo uno de ellos est en ste, la mol-cula pierde estabilidad, pero si los doselectrones se encuentran en este orbi-tal, la molcula tiende a no ser viabledebido a que se encuentra en un ni-vel de energa muy alto (ms alto quelos dos tomos por separado).Durante la ormacin de un enlace,

cuando los dos orbitales atmicos seaproximan el uno al otro para trasla-parse, a medida que los electronesde cada tomo comienzan a ser atra-dos por las cargas positivas del n-cleo del otro tomo, al igual que porsu propio ncleo, la energa potencialelctrica comienza a disminuir, has-ta llegar a un punto en que la aproxi-macin de los tomos es tan peque-a, que los ncleos empiezan a repe-lerse. A la distancia en que se da este

enmeno signica, que la mayor es-tabilidad (mnima energa) ha sido al-canzada, con lo cual esta distancia co-rresponde a la longitud propia del en-lace. Por ejemplo, la longitud del enla-ce hidrgeno-hidrgeno es de 0.74 .La gura 4 muestra que hay una dis-minucin de la energa cuando se or-ma el enlace covalente. De la mismaorma en que el enlace covalente tie-ne una longitud determinada, durantesu ormacin tambin se libera ener-ga. Por ejemplo, cuando se orma elenlace hidrgeno-hidrgeno se liberan104Kcal/mol. Esta liberacin de ener-ga durante la ormacin implica quepara lograr la separacin de la mol-cula se requiere la misma cantidad deenerga, la cual se denomina energade disociacin. De esta manera todoenlace covalente tiene una longitud delenlace caracterstica y una energa dedisociacin determinada13.

Continuando con la descripcin de losenlaces atmicos, cuando dos tomosde carbono se enlazan, dependiendo

Orbital atmico 2pOrbital atmico 2p

S* Antienlace orbital molecular

SEnlace orbital molecular

Energa

2 tomos de

hidrogeno

juntos

2 tomos dehidrogeno

separados

104 Kcal/mol

Energa de

disociacin

0,74 A

-104 Kcal/mol

distencia internuclear

Energa

potencial

Figura 4. Energa de enlace.

Fuente: BRUICE, Paula Yurkanis. Organic Chemistry. 2nd edition. Prentice Hall. 1998. p.18.

Figura 5. Enlaces moleculares (sigma) entre orbitales atmicos p.

12 SCHOEDER, Roul. Characterization o organic and inorganic optoelectronic semiconductor devices using ad-

vanced spectroscopic methods. [en lnea]. s.l.: Virginia polytechnic Institute and

State University. 2001. [consulta: Febrero de 2005]13 BRUICE, Op. Cit, p. 18


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de que clase de orbitales se unen otraslapan se dividen en dos tipos: en-lace (p) y enlace (sigma). El en-lace , se genera en el tomo de car-

bono, cuando se unen orbitales at-micos hbridos. Este enlace se da amuy corta distancia (longitud del en-lace), razn por la cual es muy uerte.Este tipo de enlace es el encargadode darle la uerza caracterstica al en-lace covalente.

El enlace , se orma cuando los or-bitales que se traslapan son los orbi-tales p que no han hibridizado, de talorma que este tipo de enlace slo se

da cuando los tomos han surido hi-bridacin sp2 o sp, y ya que estos or-bitales estn muy separados uno delotro al enlazarse, debido a que entreellos siempre estar presente un en-lace , no alcanzan la distancia ideal(longitud del enlace), motivo por el cualson de menor uerza y por ende menosestables que los enlaces . Es impor-tante anotar que los enlaces , son losenlaces que caracterizan a los enlacesdobles y triples.

Habiendo entendido porque los to-mos del grupo IV orman cuatro enla-ces y no solo dos, y comprendiendo elconcepto de orbital y de enlace atmi-co, muy seguramente Ud. se pregun-tar, Por qu si el carbono est en elmismo grupo del silicio y el germanio,adems hibridiza igual y orma el mis-

mo tipo de enlaces, que origina queel silicio y el germanio ormen crista-les semiconductores y el carbono cris-talino, como es el caso del diamantesea tan mal semiconductor? La res-puesta, es que en los tomos en ge-neral, tal como dice Kurt Nassau14, elgap (dierencia de energa entre nive-les discretos o bandas de energa) en-

tre niveles de energa adyacentes, va-ria en orma inversamente proporcio-nal al radio atmico, es decir a mayorradio atmico, menor gap, por lo tan-to, el carbono que es uno de los to-mos con menor radio atmico debidoa su bajo peso, de acuerdo a lo ante-rior, presenta un gap entre su nivel devalencia y de conduccin que se saleligeramente del rango de los buenossemiconductores, mientras que el sili-

cio y el germanio, los cuales son mspesados y de mayor radio, de acuer-do a la premisa inicial, presentan unadierencia energtica entre su nivel devalencia y de conduccin que es me-nor a la del carbono y est dentro delos niveles energticos que caracteri-zan a los semiconductores (3 eV). Des-pus de esto, entonces Ud. se pregun-

tar, Como es posible hablar de se-miconductores orgnicos?, para en-tender como un compuesto orgnicopuede ser semiconductor, primero de-bemos comprender que es lo que loshace aislantes y para ese n, observe-mos primero las caractersticas elctri-cas del tomo de carbono.

Orbital atmico 2p Orbital atmico 2p

AntienlacePorbital molecular

Enlace Porbital molecular

Energa

Figura 6. Enlaces moleculares p () entre orbitales atmicos p.

14 NASSAU, Op. Cit, p.58Continuar...


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Electrnica orgnica1.4 Caractersticas elctricas del to-

mo de carbono

El tomo de carbono es el elemento que

en la naturaleza presenta mayor versati-lidad debido a su valencia de cuatro y a

su tamao, y gracias a esto sobrepasa

en decenas de veces a los dems ele-

mentos, en cuanto a la cantidad de com-

puestos que puede ormar. Sin embargo

hasta antes de los aos 70, los compues-

tos orgnicos abricados por el hombre

y por la naturaleza, haban tenido carac-

tersticas elctricas muy pobres para ser

considerados como conductores o se-

miconductores en la industria electrni-

ca. Por esta razn, en la industria siem-pre los materiales orgnicos y los pls-

ticos sintticos han slo sido implemen-

tados como materiales aislantes, mate-

riales de soporte o como materiales o-

terresistivos en la industria electro-pti-

ca de las impresoras, cmaras otogr-

fcas, de la discograa, etc. La razn pa-

ra que ese comportamiento aislante se

d en los materiales orgnicos, recae en

varios aspectos, que son: el tipo de en-

laces que orman, organizacin o distri-

bucin de los enlaces y cantidad de to-

mos de carbono constituyentes. Los ma-

teriales orgnicos tradicionales son ais-

lantes debido a que por lo general pre-

sentan enlaces simples y dobles que no

estn alternados entre si, es decir no es-

tn conjugados, y si lo estn no se pre-

sentan en grandes extensiones.

De esta manera al no presentar conjuga-

cin en una gran cantidad de tomos y

de hacerlo en orma irregular, origina que

su comportamiento sea mayoritariamente

regido por las caractersticas elctricas

de los enlaces , los cuales presentan

un gap entre el enlace orbital molecular

y el antienlace orbital molecular dema-siado grande, mayor a 6 eV1, lo que los

categoriza como materiales donde es

imposible promover un electrn desde

el orbital enlazante ocupado de mayor

energa (HOMO) al orbital antienlazan-

te desocupado de menor energa (LU-

MO), mediante una radicacin visible o

una uente de campo elctrico conven-

cional. El enlace presenta un gap tan

amplio, debido a que es un enlace muy

uerte y estable, y cuando algo es muy

estable implica que se encuentra a unaenerga muy baja de acuerdo a las con-

diciones energticas de su entorno. Por

lo tanto, la energa del orbital enlazan-

te ms alto (HOMO) o nivel de valencia

ms alto de este enlace estar a una

energa muy baja. Sin embargo, el nivel

de conduccin ms bajo de este enla-

ce corresponde al orbital antienlazante

mas bajo (LUMO), el cual como ya co-

nocemos desestabiliza la molcula y co-

mo para desestabilizar algo muy esta-

ble hay que suministrarle mucha ener-

ga, este se encontrar a una energa

muy alta, lo que causa que el gap en el

enlace se tan amplio.

Por otro lado, si los anteriores actores

determinan a un compuesto orgnico

como aislante, Que caractersticas lo

defnen como conductor? Como vimos

anteriormente, un compuesto orgnico

no puede ser semiconductor mediante

una estructura cristalina de tipo atmi-

co como la del silicio o el germanio, ya

que de esta manera su gap sera muy

amplio, como en el caso del diaman-

te. En consecuencia para que un com-

puesto orgnico se comporte como unsemiconductor debe optar por otra al-

ternativa, la cual en su caso es la con-

jugacin, que consiste en una estruc-

tura de enlaces simples y dobles que

se alternan (ver fgura 7), pero a die-

rencia de los aislante orgnicos, esta

conjugacin debe ser extensa, es decir

que se d a lo largo de toda una mol-

cula, o en su gran mayora, con lo cual

el material ya no ser regido por las ca-

ractersticas del enlace , sino por las

caractersticas del enlace .

El enlace , a dierencia del enlace , es

ms dbil y esta debilidad se traduce en

inestabilidad, lo que conduce a que el

gap del enlace sea menor que el del

enlace . Ud, se preguntar entonces,

Por qu el gap del enlace es mayor

que el del enlace ?, y la respuesta, se

basa en lo siguiente: como el enlace

es menos uerte o menos estable que el

enlace , signifca que su energa ser

mayor y por tal razn su HOMO esta ubi-

cado a mayor energa que el HOMO del

enlace . Por otro lado, para desestabili-

zar algo no muy estable se necesita me-

nor energa que para hacerlo con algo

muy estable, y al ser el enlace menos

estable que el enlace

, implica que, elnivel de energa del LUMO del enlace

, este ubicado a menor energa que el

del enlace . (ver fgura 8).

c

c

c

c

c c

c

ENTREGA 2

Figura 7. Estructura de un polmero conjugado.

1TURTON, Richard. El Punto Cuntico, la microelectrnica del uturo. Alianza Editorial S.A. Madrid.

1995. p. 60


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En la fgura 8, se ve el esquema ener-

gtico de una molcula que presenta

enlaces dobles, en sta n representa el

nmero de electrones que participan en

enlaces y m al nmero de electronesque participan en enlaces . Para en-

tender mejor el carcter aislante o no de

un compuesto orgnico, consideremos

la fgura 9, en donde se muestran tres

tipos de dienos (compuestos orgnicos

que poseen enlaces doble), en sta ob-

servamos que aunque todas presentan

enlaces dobles, la fgura A, presenta un

comportamiento elctrico regido por el

enlace , mientras que en las fguras B

y C, predomina un comportamiento re-

gido por los enlaces , que se carac-teriza porque sus orbitales se traslapan

a lo largo de toda la molcula, lo que

origina que los electrones de los siste-

mas , se encuentre deslocalizados en

las molculas individuales.

Por lo tanto, aunque un dieno aislante

contiene enlaces , y estos tienen un

gap reducido, al presentarse de orma

aislada, no permite que el compuesto

se comporte de extremo a extremo co-

mo un semiconductor. Por otro lado en

los dienos conjugados y alenos los en-

laces , se distribuyen por toda la mo-

c c c

c c c c c c

c c c c c c c c c

A. aislado B. conjugado

C. aleno

lcula, y en consecuencia el gap es re-

ducido a lo largo de toda su extensin,

lo que bajo ciertas condiciones les per-

mitira comportarse como semiconduc-

tor. Ud, preguntar Por qu se dice quebajo ciertas condiciones?, y la respues-

ta es que, la conjugacin aunque es un

requisito indispensable, no es sufcien-

te en todos los casos para que un com-

puesto orgnico adquiera propiedades

semiconductoras, debido a que, el que

el gap se reduzca, no signifca que que-

de dentro del rango de los materiales

semiconductores. Cuando este rango

es alcanzado se dice que el compues-

to es un semiconductor orgnico intrn-

seco, de lo contrario, si el material tieneun gap por uera de este rango que es

de 3 eV, es indispensable que el com-

puesto sea dopado, con el fn de redu-

cir aun ms la brecha energtica entre

el nivel de conduccin y el de valencia.

Sin embargo, el que un material org-

nico sea intrnsecamente semiconduc-

tor no signifca que no necesite ser do-

pado, ya que en estos ocurre lo mismo

que en los semiconductores de silicio

y germanio y es que la banda de va-

lencia est completamente llena y la de

conduccin completamente vaca, con

lo que no hay vacantes ni portadores

de carga que puedan hacer parte en

la conduccin, y si los hay, debido a la

promocin trmica, son en un nmero

muy bajo, adems, el semiconductor es

bipolar (que conduce al igual por medio

de electrones y de huecos), y en estas

condiciones no es til para ser utiliza-

do en dispositivos electrnicos.

Con el fn de suministrar los espacios va-

cos en la banda de valencia o los por-

tadores en la banda de conduccin yde que el material conduzca mayorita-

riamente por huecos o electrones, es-

tos materiales necesitan ser dopados

de orma anloga a los semiconducto-

res inorgnicos. La dierencia entre el

dopaje de los materiales orgnicos e in-

orgnicos, es que en los inorgnicos, al-

gunos tomos del cristal son reemplaza-

dos por tomos dopantes, mientras que

en los materiales orgnicos los tomos

dopantes se insertan de orma adicional

sin reemplazar a los tomos en la cade-na principal de la molcula2, adems el

dopaje se da mediante un proceso de

oxido-reduccin en donde interviene un

electrolito que se encarga de mantener

la electroneutralidad del sistema3 . Co-

mo dice Oscar Larsson4, El dopaje en

los materiales orgnicos se da mediante

dos mtodos principales, que son: el do-

paje qumico y el electroqumico. El pri-

mero consiste en enlazar al material or-

gnico agentes dopantes, qumicos que

oxidan (remueven electrones) o reducen(adicionan electrones) el compuesto or-

gnico. Cuando el material es oxidado

la electroneutralidad es mantenida me-

diante la adicin de aniones (cargas ne-

gativas) por parte del electrolito, en caso

contrario, es decir que se d una reduc-

cin, la neutralidad se mantiene median-

te la adicin de cationes (cargas positi-

vas) por parte del electrolito. El dopaje

qumico es utilizado cuando se necesi-

tan dopajes de altas concentraciones,

pero para niveles intermedios, este tipo

de dopaje no es muy apropiado, la ra-

zn, es que es dicil de variar y contro-

lar la concentracin de los agentes do-

pantes y encontrar agentes dopantes de

uerza apropiada. En este caso se utili-

za el dopaje electroqumico, en el cual

la adicin o sustraccin de electrones se

da mediante un potencial elctrico y el

electrolito mantiene la electroneutralidad

al igual que en el dopaje qumico. Cabe

anotar que la remocin y adicin de elec-trones se da en el sistema . el cual es

energticamente ms asequible.

El dopaje de los semiconductores, no

Antienlace orbital molecular S

Antienlace orbital molecularP

Enlace orbital molecular S

Enlace orbital molecularP

Energa

ns

pz

mssp2

ns

pz

mssp2

Figura 8. Diagrama de energa de un enlace molecular.

Figura 9. Tipos de dienos.

2KANER, Richard B, y MACDIARMID, Alan G. Plsticos que conducen la electricidad. investigacin y

ciencia. Prensa Cientfca. 1988. p.64.

3LARSSON, Oscar. Empirical parameterization o organic electrochemical transistors. [en lnea]

s.l.Universidad de Linkpings. 2004.p.31.[cons: Octubre: 2004].

4Ibid, p. 31


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| Electrnica

64 |

slo cambian las propiedades elctricas

del material, sino que tambin cambia el

color del material, ya que al introducir ni-

veles de energa en la banda prohibida,

estos nuevos niveles energticos absor-ben algunas longitudes de onda adicio-

nales, lo que ocasiona el cambio de co-

lor del material dopado, este enmeno

se denomina electrocromismo5 .

Ahora Ud. se preguntar, Por qu se

habla de que los materiales semiconduc-

tores orgnicos deben ser conjugados y

no se nombran a los alenos? La respues-

ta a esta pregunta nos la da el dopaje.

Al necesitar los compuestos orgnicos

ser dopados, se necesita de un mate-

rial de una reactividad tal, que reaccio-ne cilmente con los agentes dopantes

y los dienos conjugados son ms reacti-

vos que los alenos, por razones que se

salen del manejo de este texto, adems

como la electroneutralidad es manteni-

da por un electrolito, se necesitan co-

mo escribe Daniel James Ulinski6, espa-

cios de carga para albergar los iones,

uncin para la cual son apropiados los

enlaces simples, y los alenos al no po-

seer enlaces simples no poseen espa-

cios de carga y por lo tanto no son utili-zados como semiconductores.

En la fgura 10, se observa un polmero

conjugado (PEDOT), el cual est dopado

(oxidado), el electrolito (PSS) y se indi-

can los iones y los espacios de carga.

Gracias al dopaje, un material se com-

porta como semiconductor, pero tam-

bin gracias al dopaje un compuesto

orgnico conjugado puede convertirse

en conductor, y esto se logra median-

te altos niveles de dopaje, los cuales

reducen el gap y ponen a disposicin

grandes cantidades de portadores de

carga para la conduccin.

En los prraos anteriores hemos expli-

cado lo que hace a una molcula org-

nica individual ser semiconductora, pe-

ro en la prctica los materiales utilizados

y tratados en este trabajo no son mol-

culas individuales (de las cuales trata laelectrnica molecular y cuyo contenido

se sale de nuestro alcance), sino mues-

tras macroscpicas, las cuales constan

de millones de molculas individuales,

y se encuentran unidas ya no por en-

laces covalentes sino por uerzas muy

dbiles de tipo polar, como la uerza de

Van der Waals. El que las molculas in-

dividuales estn unidas tan dbilmente

origina que el gap entre molculas sea

muy grande y la estructura de bandas

de energa sea cilmente interrumpida,

pero aun cuando se piense en que esto

echara por tierra la utilizacin de los ma-

teriales orgnicos como semiconducto-

res, en realidad no es as y las razones

para que no sea de esta manera las ve-

remos en el siguiente capitulo (sica de

los semiconductores orgnicos).

Habiendo explicado en orma muy ge-

neral, como un material orgnico pue-de adquirir propiedades semiconduc-

toras y conductoras, antes de pasar

al siguiente captulo debemos reerir-

nos a los dierentes tipos de materia-

les semiconductores que ha sintetiza-

do la industria y que orman ya parte,

en la actualidad, de una diversidad de

dispositivos electrnicos.

s

s

s

s

s

sn

n

Iones

Espaciosde carga

SO3 SO3H SO3H SO3H SO3HSO3

Figura 10. Compuesto de PEDOT:PSS.

Fuente : ULINSKI, Daniel James. Organic diode and other circuit element creation through va-

riations of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) synthesis. [en lnea]. s.l.: Pittsburg University. 2002.

. p.119 [consulta: Febrero de 2005 ].

Continuar...


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| Electrnica

12 |


Electrnica orgnica

1.5 Clasifcacin de los semicon-ductores orgnicos

Los materiales orgnicos, por su natu-raleza, pueden ormar una innidad de

compuestos de dierentes tamaos, or-

mas y estructuras, y en consecuencia

pueden ser clasicados de acuerdo a

muchos parmetros, pero en cuanto a

los compuestos orgnicos con carac-

tersticas conductoras, se clasican

en dos grandes grupos, dependiendo

de su peso molecular, que son: mol-

culas de bajo peso molecular y mol-

culas de alto peso molecular. Las pri-

meras se reeren a molculas conju-gadas, de un tamao menor a 20 mo-

nmeros, las cuales se conocen como

oligomeros, y las segundas abarcan a

las molculas conjugadas de ms de

20 monmeros, las cuales se conocen

como polmeros. Ambos tipos de com-

puestos orgnicos se dierencian en-

tre si por su tamao y propiedades -

sicas, pero en cuanto a las propieda-

des elctricas su comportamiento es

muy similar. En este apartado tan so-

lo daremos las caractersticas genera-

les de ambos tipos de molculas, y las

ms utilizados en la industria, ya que los

mecanismos utilizados para transpor-

tar portadores de carga y comportar-

se como semiconductores sern des-

critos ms adelante.

1.5.1 Oligomeros semiconductoresEn el campo de la electrnica orgnica,

estas molculas se caracterizan por es-

tar constituidas por un nmero no muy

grande de tomos, con una estructura

de sus enlaces conjugada y por ormar

cristales de tipo molecular. Esto crista-les se dierencian de los cristales de ti-

po atmico como los ormados por el

silicio, el germanio o el carbono (dia-

mante), en que los primeros estn con-

ormados por la unin de molculas in-

dividuales que intramolecularmente es-

tn unidas por uertes enlaces cova-

lentes, pero que intermolecularmente

se unen mediante uerzas dbiles co-

mo la de van der Waals, mientras que

los cristales de tipo atmico son en su

totalidad una sola molcula que estuertemente unida por enlaces cova-

lentes. Esta dierencia origina que los

cristales de tipo atmico generen es-

tructuras de bandas muy bien deni-

das debido a que este tipo de cris-

tales son muy uertes y la estructura

de sus estados energticos perma-

nece inalterada, mientras que en los

cristales moleculares al estar unidos

por atracciones tan dbiles, y por po-

seer un nmero muy bajo de tomos

por molcula, su acople energtico es

bajo y su estructura energtica se al-

tera con mucha acilidad, originando

esto que en este tipo de materiales, la

estructura de bandas de energa ten-

ga muy poca importancia en la orma

como conducen corrientes elctricas.

Cabe anotar que pese a esa acilidad

con que se interrumpe el orden ener-

gtico, los cristales de molculas pe-

queas mantienen un orden conside-

rable. Los semiconductores abricados

con pequeas molculas, se destacan

por presentar mejores niveles de con-

duccin que los semiconductores po-limricos, pero el ser muy diciles de

preparar en soluciones, los inhabilita

para poder ser depositados con tc-

nicas de abricacin de bajo costo co-

mo impresin convencional o spin coa-

ting, y por esta razn, tampoco pue-

den ormar pelculas delgadas de gran

rea. Entre los semiconductores org-

nicos, las molculas de bajo peso mo-

lecular ms utilizadas segn la pgi-

na 1 , son:TPD, perileno, pentaceno, 6-tioeno, u-

llereno (C60

) y Alq3. El perileno, el pen-

taceno y el TPD (N, N-bis-(m-tolyl)-N,

Ndienyl-1,1-bienyl-4,4-diamina) son

materiales transportadores de huecos

y usados como materiales fuorescen-

tes en OLED. El 6-tioeno, es un repre-

sentante de la amilia del tioeno, el cual

es conocido por su gran movilidad de

huecos, y es usualmente utilizado en

OFETs. El PBD ((2-(biphenyl-4-yl)-5-(4-

tertbutylphenyl)-1, 3,4-oxadiazole), es

un conductor de electrones usado en

OLEDs. El C60

o Fullereno es un mate-

rial con gran anidad electrnica, y sus

derivados son utilizados como acepto-

res de electrones en dispositivos oto-

voltaicos. Por ltimo el Alq3

(tris (8-qui-

noleina de aluminio)) es un complejo

organometlico con una electrolumi-

niscencia de color verde muy ecien-

te y de muy buena estabilidad, usado

en OLED. (Ver gura 11).

La gura 12, nos muestra un diagra-

ma energtico de una pequea mol-

ENTREGA 3

1Contents, [en lnea] s.l.:s.n.s.. p.30

[consulta: eb. 2005]


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| Electrnica

14 |

cula orgnica, en este caso un anillo

de benceno, en donde observamos

que la estructura de bandas en este

tipo de semiconductores es muy re-

ducida, debido a la poca cantidad de

tomos constituyentes, y en donde se

resaltan solo los enlaces , ya que sonlos nicos que intervienen en la con-

duccin, en un semiconductor orgni-

co. Aqu tambin se ven en color rojo

los niveles de energa del HOMO y el

LUMO, que en las molculas de bajo

peso molecular, son niveles discretos

debido al nmero de tomos de este

tipo de materiales.

H3C

S

S

S

S

S

S

N NN

NN

NN

N

AI

O

O

O

O

CH3

C60

Alq3PBD

Pentaceno

Perileno

TPD

6 tiofeno

Figura 11. Principales semiconductores de bajo peso molecular.

Figura 12. Estructura energtica de una peque-

a molcula orgnica.

Fuente: K, Leo. Organic semiconductors: the

basics. [consulta:

jun: 2004].

6x pz

18x sp2

LUMO ( P*) Ec

HOMO ( P) Ev


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JORNADAS CAPACITACINCHARLAS LA PLATA AGOSTO 2009Escuela Tcnica San Vicente De Paul -Calle 43 e/115 y 116 La Plata

Miercoles 26, de 18.30 a 20.15 hs.Empresa: OSRAM

Disertante: Lic. Lucas Pellazza.Temario: Ahorro de energa con modernos sistemaselectrnicos

Como ahorrar energa con los nuevos balastos electrnicos ysistemas de control.

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Informes e inscripcin al:011-4661-3208/0344 [email protected]

Jueves 27, de 18.30 a 20.15 hs.Empresa:WEGDisertante: Ing. Marcelo Del Hoyo ArandaTemario: Arranque de motores elctricos para uso industrial.Elementos de comando y proteccin para motores. Definicin

de cada componente, categora de empleo, normativa vigente,seleccin y aplicacin.

Principio de funcionamiento del motor jaula de ardilla, curvas detorque y corriente. Arranques convencionales con 1, 2 y 3 compo-nentes. Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de arranques;

Arranque directo, Arranque Estrella-Triangulo y Arranques electr-nicos (Sof-Starters). Principio de funcionamiento de los arranques

electrnicos. Comparativa de los distintos arranques para motores.Ejemplos de aplicacin.

Viernes 28, de 18.30 a 22.15 hs.Empresa: ETADisertante: Ing. Roberto Garca.Temario: Presentacin de nuevos instrumentos para elsector elctrico/electrnico, recordando los 50 aos de la

empresa liderando el segmento. Protecciones termomagnticase Interruptores Diferenciales. Mando y Sealizacin con sus

Aparatos de Maniobra. Automatizacin y control industrial.

Iluminacin Residencial, Comercial y Alumbrado Pblico:Presentacin de la nuevas lmparas bajo consumo mini+, LFCcolor y Lmparas PL.

Jueves 27,de 20.30 a 22.15 hs.Empresa: MICROCONTROLDisertante: Ing. Jorge MunoaTemario: Nuevas tecnologas para canalizaciones elctricas.

MICRO

CONTROL

Miercoles 26, de 20.30 a 22.15 hs.Empresa: REPROEL

Disertante: Ing. Juan Carlos GmezTemario: Aprenda a seleccionar correctamente fusibles debaja y media tensin

ENTRADAGRATU

ITA


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| Electrnica

16 |

1.5.2 Polmeros semiconductoresLos polmeros se caracterizan por ser

cadenas muy largas, compuestas de

monmeros, en donde cada monme-

ro est unido mediante enlaces cova-

lentes. Esto conduce a que al haber

una gran cantidad de unidades mono-

mricas enlazadas uertemente, dentro

de las cadenas de polmero se ormen

bandas de energa, como en los semi-

conductores inorgnicos. Sin embargo

estas cadenas son de longitud inita,

y un compuesto polimrico est cons-

tituido de millones de estas cadenas,

las cuales estn muy dbilmente aco-

pladas, razn por la que en los polme-

ros al igual que en los cristales molecu-

lares orgnicos conjugados, la estructu-

ra de bandas de energa tampoco pre-

sente mucha relevancia en la corrien-

te total del semiconductor. Los polme-ros semiconductores a dierencia de los

cristales moleculares, son ms cilmen-

te solubles, lo que permite que sean de-

positados mediante impresin conven-

cional o spin coating, y de esta manera

ser depositados en pelculas delgadas

de gran rea a muy bajo costo. Adicio-

nalmente, los polmeros semiconducto-

res presentan las caractersticas propias

de los materiales polimricos, como son

fexibilidad y durabilidad. En cuanto a la

conductividad, al presentar los polme-

ros estructuras amoras, presentan una

conductividad menor a los cristales mo-leculares, por razones que veremos en

el siguiente captulo.

Los polmeros semiconductores ms

utilizados en la industria segn la pagi-

na de Internet 2,

son: los politioenos, polipirroles, polia-

nilinas, PPP (poly-para enileno), PPV

(poly para-enileno vinileno), PVK (poly

vinil carbazole), polyfuoreno, PEDOT-

PSS, PPE y los dendrimeros. El PPV es

un compuesto muy utilizado en dispo-

sitivos electroluminiscentes, este com-

puesto en la orma de MEH-PPV y cia-

no-PPV es muy soluble y su banda de

gap mejora para el transporte de cargas.

El PPE (poly enileno etileno) y el PPP y

los polifuorenos (PF) tambin son muy

utilizados en dispositivos emisores de

luz. El PVK ue uno de los primeros se-

miconductores orgnicos descubiertos,

junto con el poliacetileno y ue el primer

polmero en el cual se report electro-luminiscencia. Los politioenos son de

gran inters por su buena solubilidad

y excelentes posibilidades de proce-

samiento, adems presentan gran ca-

pacidad de transporte de carga e ndi-

ces altos de on/o. Uno de los politioe-

nos ms estudiados es el PEDOT (poly

(3,4-etilendioxytioeno)). El PEDOT:PSSes el resultado de la polimerizacin qu-

mica oxidativa del monmero EDOT en

poly(acido estireno sulnico) (PSS). El

sistema resultante que consiste de los

polmeros conjugados PEDOT de dopa-

do tipo p y PSS como iones opuestos

que mantienen la carga neutral, es al-

tamente conductivo (~ 10Scm), trans-

parente, mecnicamente durable e in-

soluble. En los ltimos aos este ma-

terial transparente est siendo utiliza-

do en muchas aplicaciones en los dis-positivos orgnicos electroqumicos y

como capa de inyeccin de huecos en

OLEDs (LEDs orgnicos). Los dendr-

meros son polmeros hiper-ramicados;

su estructura contiene unidades rami-

cadas repetidas llamadas dendrme-

ros que se radian desde su centro. Los

dendrmeros tienen una concentracin

extremadamente alta de grupos un-

cionales que le coneren su alto peso

molecular y su volumen. En el campo

de los OLEDs, los dendrmeros permi-ten que las pequeas molculas man-

tengan sus propiedades semiconduc-

toras y adquieran algunas ventajas de

los PLEDs, como la capacidad de ser

procesadas como solucin.

En la gura 14, vemos la estructura ener-

gtica de un polmero semiconductor,

en este caso particular la estructura del

PPV, en donde podemos observar, a di-

erencia de la gura 12, que en los po-

lmeros semiconductores si se orman

bandas de energa bien deinidas, y

aqu los niveles de energa del HOMO

y el LUMO se pueden considerar como

niveles no discretos, debido al gran n-

mero de tomos que conorman los po-

lmeros. Al igual que en la gura de las

molculas de bajo peso molecular, aqu

solo se muestran las bandas de los en-

laces , debido a que son los niveles de

energa de este tipo de enlaces, los ni-

cos que contribuyen a la conduccin enun semiconductor orgnico.

Continuar...

PPV PPE

n

n

PVKMEH - PPV

n

N

n

o

o

PEDOT PF

R R

PPP

S

n n

n

n*8 x pz

n*24 x pz

Banda de Conduccin

Banda de Valencia

Ec

Ev

n

Figura 13. Principales polmeros semiconductores.

Figura 14. Estructura energtica de un pol-

mero conjugado.

Fuente: K, Leo. Organic semiconductors: the

basics.


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| Electrnica

40 |


Electrnica orgnica

Fsica de los semiconductores or-gnicos

En los semiconductores orgnicos alpresentarse estructuras desordenadas

y mucho menos acopladas que en los

cristales atmicos que conorman a los

semiconductores inorgnicos, el mo-

delo de bandas de conduccin, es de

poca validez. En el caso de los crista-

les semiconductores, la estructura de

bandas no se orma, debido a los po-

cos tomos que conorman cada mo-

lcula y en los polmeros semiconduc-

tores el modelo de bandas se utiliza in-

tramolecularmente, pero intermolecu-larmente debido al alto grado de des-

orden y al bajo acople, este modelo no

tiene cabida al igual que en los crista-

les moleculares. Por lo tanto, si median-

te el modelo de bandas no se puede

explicar el transporte de cargas en los

semiconductores orgnicos, median-

te que modelo se explica dicho trans-

porte? Segn Vissemberg1, el enme-

no de conduccin en los semiconducto-

res orgnicos se explica de la siguiente

manera: en los semiconductores orgni-cos los electrones se encuentran en es-

tados energticos o niveles de energa

localizados, a dierencia de los conduc-

tores y semiconductores tradicionales

en donde los electrones estn desloca-

lizados por todo el material. En los ma-

teriales orgnicos, estos estados loca-

lizados o sitios son: los estados de las

molculas individuales en los cristales

moleculares, los estados de las cade-

nas polimricas individuales o los esta-

dos de los segmentos de estas cade-nas donde la conjugacin es interrum-

pida por deectos estructurales o qu-

micos. Habiendo denido los estados

localizados o sitios y teniendo presente

que estos sitios actan como pozos de

potencial, la transerencia de carga en-

tre sitios se da mediante saltos cunti-

cos o hopping en donde los portadores

de carga mediante eecto tnel asisti-

do por onones (vibraciones de la es-

tructura del material) pasan de un sitio

a otro, bajo ciertas condiciones espe-

ciales. Para entender un poco ms es-

te enmeno, vamos a explicar en or-

ma general este mecanismo cuntico.

El eecto tnel, como dice la editorial Ti-

me Lie2, ue por primera vez propuesto

por George Gamow a principios del siglo

XX, para explicar cmo dos tomos de

hidrogeno se usionaban en las estrellas

a temperaturas sumamente bajas paraque se diera dicho enmeno, y se ba-

sa en el principio de incertidumbre y en

la ecuacin de onda de Schrdinger, la

cual predice que una partcula subat-

mica dentro de un pozo de potencial o

uera de ste, siempre y cuando la ba-

rrera de potencial sea nita, tiene una

probabilidad (aunque muy pequea)

de encontrarse por uera o de entrar a

dicho pozo, atravesando sus paredes,

como si hiciera un tnel, razn por la

cual se denomin eecto tnel.

En un semiconductor orgnico, los elec-

trones como dijimos en el captulo an-

terior, se encuentran deslocalizados

dentro de los sistemas de las mol-culas individuales de los cristales mo-

leculares o de las cadenas polimri-

cas. Estos electrones al ser estimula-

dos por un campo elctrico se mueven

dentro de estos sitios de extremo a ex-

tremo y al encontrarse con una barre-

ra energtica rebotan y orman ondas

estacionarias3 que tienen cierto nivel

de energa. Teniendo en cuenta lo an-

terior los electrones u ondas estaciona-

rias tienen la posibilidad de atravesar

la barrera de potencial entre las mol-

culas o polmeros, siempre y cuando,

segn Richard Turton4, los electrones

de un sitio origen estn en un nivel de

energa igual a uno de los niveles de

energa permitido en el sitio al que va

a trasladarse, de lo contrario el hop-ping no se lleva a cabo. Por lo tanto,

con el n de lograr los niveles de ener-

ga necesarios, el papel de los ono-

ENTREGA 4

Ondas estacionarias

Pozo de potencial

Barrera depotencial

Figura 15. Pozo de potencial o sitio.

1 VISSEMBERG, Michael Cornelis Josephus Marie, Opto-electronic properties o disordered organic semicon-

ductors [en linea]. Leiden: Universidad de Leiden, 1999. p. 6.< http://www.lorentz. leidenuniv.nl/ beenakker /the-

ses/vissenberg/vissenberg.html. [Consulta: Abril de 2004].

2 Editorial Time Lie, Universo, Estrellas I. Editorial Folio S.A. Barcelona. 1994. p.48

3 CORCORAN, Elizabeth. Nanotcnica. Investigacin y ciencia. Ed prensa cientica S.A. No.172 Barcelona.

1991. p.80

4 TURTON, Richard. El Punto Cuntico, la microelectrnica del uturo. Alianza Editorial S.A. Madrid. 1995. p. 234


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| Electrnica

42 |

nes es indispensable, ya que la ener-

ga de los onones es trasmitida a los

electrones que de esta orma alcan-

zan la energa suciente para trasla-

darse por eecto tnel.

En la gura 16, en la parte A, observa-

mos al lado izquierdo un electrn enuna molcula o sitio con una energa

inerior a la energa de uno de los nive-

les de energa discretos de otra mol-

cula o sitio, inhabilitando esto su tras-

lado por eecto tnel. En la parte B, al

aplicarle un campo elctrico al mate-

rial los niveles de energa al igual que

en los semiconductores inorgnicos se

inclinan y la dierencia de energa en-

tre los dos sitios disminuye pero aun

no coinciden. Sin embargo en la parte

C, el electrn absorbe la energa de unonn e iguala la energa de la mol-

cula vecina, situacin sta que le per-

mite trasladarse por hopping.

El mecanismo de eecto tnel asistido

por onones o Hopping (saltos cunti-

cos) ue originalmente propuesto por

Conwell y Mott en los semiconducto-

res inorgnicos con deectos trampas

y la tasa de transicin por eecto tnel

asistido por onones ue calculada por

Miller y Abrahams, en donde el Hop-

ping desde un estado localizado J a

un estado i se lleva a cabo a una re-

cuencia para el onn deo, la cual esadecuada para que el onn sea ab-

sorbido por los portadores de carga,

que as aumentan su energa y se tras-

ladan por eecto tnel5.

En la ecuacin 1, es la longitud inver-sa de localizacin, Rij es la distancia

entre los estados localizados, i es laenerga en el estado i y j es la ener-ga del estado J. Como los ndices de

salto son uertemente dependientes de

la energa y la posicin de los estados

localizados, el transporte por Hopping

es extremadamente sensible, tanto a

la estructura como al desorden ener-gtico. La anterior es la razn por la

que los cristales moleculares tienen

una conductividad mayor que los po-

lmeros semiconductores.

Conociendo ya el modelo mediante el

cual se explica la semiconduccin en

los materiales orgnicos, es importante

conocer, como es la movilidad en es-

tos materiales.

2.1 Movilidad en los semiconducto-

res orgnicos.Para medir esta caracterstica en los se-

miconductores inorgnicos, los inves-

tigadores utilizan la tcnica del tiempo

de vuelo, la cual consiste en generar

mediante un fash de luz, una capa de

portadores de carga cerca de un elec-

trodo de un capacitor de placas para-

lelas y bajo un campo elctrico aplica-

do E, hacer que las cargas se mueven

hacia el electrodo opuesto. El tiempo

de trnsito t al cual las cargas alcan-zan ese electrodo (distancia L) es en-

tonces una medida directa de la mo-

vilidad de los portadores6.

=L/-tE.

Ecuacin 2. Movilidad por la tcnica de tiem-

po de vuelo.

Sin embargo en los semiconductores

orgnicos segn Vissenberg7, las oto-

corrientes generadas son con recuen-

cia dispersivas (disminuyen con el tiem-

po debido a que las cargas toman di-

erentes caminos y se inmovilizan tem-

poralmente debido a que quedan atra-

padas en irregularidades) y por lo tanto

la velocidad de las cargas disminuye

cuando la muestra es atravesada. Enese caso el tiempo de arribo prome-

dio de las cargas y consecuentemente

la movilidad de los portadores, depen-

den de la dimensin de la muestra y la

movilidad no refeja un parmetro ge-

nuino del material. Esa dispersin de

la corriente es debido, a que como vi-

mos en el captulo anterior, los semi-

conductores orgnicos presentan ba-

jo acople y en especial los polmeros

tienen un grado muy alto de desorden

al ser amoros. Teniendo en cuenta loanterior y segn Man Hoy Wong8, in-

vestigaciones con respecto a la movili-

dad, han concluido que la movilidad en

los materiales orgnicos tiene una de-

pendencia del campo elctrico = 0

exp(E) que es del tipo Poole-Frenkely adicionalmente se observa un trans-

porte de carga tanto dispersivo como

no dispersivo. Por lo tanto, para estu-

diar la movilidad en los semiconduc-

tores orgnicos se utiliza el modelo de

Bssler, el cual modela ambos compor-

tamientos, teniendo en cuenta la simu-

lacin de Monte Carlo, la cual se ba-

sa en una distribucin Gaussiana de

densidad de estados (DOS) o niveles

de energa disponibles para los elec-

trones, con el cual se obtienen unos re-

sultados muy acordes con los experi-

mentos. Dichos resultados muestran

que el transporte de carga en los sli-

dos orgnicos es altamente dispersi-

vo, y que la movilidad de los portado-res depende de tres aspectos unda-

mentales que son: el desorden energ-

tico (debido a la fuctuacin de la pola-

A

A A

E

E

E

Figura 16. Hopping asistido por fonones.

Wij= vo exp (-2Rij) {exp

1

( )Ei-Ej

Ei>Ej

Ei


25/48


26/48

| Electrnica

44 |

rizacin de la energa de la retcula y/o

de la distribucin de la longitud de los

enlaces del semiconductor), la intensi-

dad del campo elctrico aplicado y el

desorden estructural (debido a la fuc-tuacin de la distancia entre sitios, la

cual vara con una varianza ).

Para describir los tres aspectos ante-

riores, el modelo de Bssler, primero

calcula, para un paquete de portado-

res de carga, la energa media de equi-

librio en uncin del desorden energti-

co (), teniendo en cuenta que losportadores de carga no son sometidos

a un campo elctrico.

Donde () es la densidad de estadosde energa y es el ancho de la DOS

normalizados a kT y representa el des-

orden energtico. Los sistemas queposeen grandes desordenes energ-

ticos implican bajas temperaturas de

acuerdo a la ecuacin y se equilibran

ms despacio debido a que los saltos

activados trmicamente, que ayudan

a los portadores a encontrar otras tra-

yectorias para la relajacin, estn eli-

minados.

Segn Man Hoy Wong9, el segundo

paso del modelo de Bssler, con el

n de encontrar una ecuacin analti-

ca de la movilidad, tiene en cuenta la

dependencia que tiene la movilidad,

de la temperatura, la cual tiene la si-

guiente ecuacin:

Luego, teniendo la relacin de la mo-

vilidad con la temperatura, el modelo

de Bssler relaciona la movilidad con-

juntamente con el campo elctrico y el

desorden energtico, y aqu encuentra

un comportamiento como el de la gu-

ra 17, en donde el desorden posicional

o varianza es cero ( = 0) y la movili-dad del material presenta un compor-

tamiento que se aproxima a (log~E)que es del tipo de Poole-Frenkel, el

cual se da a campos elctricos mode-

radamente altos (>105 V/cm) con ten-

dencia a saturarse a grandes campos

elctricos (>106 V/cm)10. En la gura

se ve que a medida que el desorden

energtico aumenta, la movilidad dis-

minuye, lo cual es consecuencia de lo

que vimos anteriormente cuando tra-

tamos el pozo de potencial, en donde

el trasporte por eecto tnel necesita

que las energas de los sitios entre los

cuales se dar el hopping sean igua-les y el desorden energtico implica

que dichas energas son muy dispa-

res. Tambin la gura 17 nos muestra

que la movilidad aumenta con el au-

mento del campo elctrico, lo cual es

consecuencia de que la DOS aumen-

ta con el campo y el aumentar la den-

sidad de estados, conlleva inevitable-

mente a una disminucin en el desor-

den energtico. Esto tambin se pue-

de explicar retomando la gura 16, en

donde observamos que un potencial

aplicado reduce la barrera de poten-

cial, acilitando el hopping en la di-

reccin del campo aplicado. Por lti-

mo y como ms importante, la gura

nos muestra que a grandes campos,

la movilidad alcanza un nivel de satu-

racin en el cual deja de depender del

desorden energtico.

El modelo de Bssler habiendo ya con-

siderado el desorden energtico, conti-nua su anlisis, considerando la movili-

dad relacionada conjuntamente con el

desorden posicional y el campo elc-

trico y en este aspecto encuentra que

la movilidad se comporta como la gu-

ra 18, en donde el desorden energti-

3- 0

S

M(

arb.units)

10-4

10-5

10-6

10-70.0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8

E1/2 [103 (V/cm)1/2]

0.0

2.0

2.5

3.0

3.5

3=

S

M

(arb.units)

10-2

10-5

10-3

10-4

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

E1/2 [103 (V/cm)1/2]

0.00

2.82

3.25

20

3/2exp SM M T

=lim =tm

d

dd

d

ERE E / kT) dEexp

RE E/ kT) dEexp

=- =-S

SSkT

Ecuacin 3. Energa media de equilibrio.

Ecuacin 4. Dependencia trmica de la mo-

vilidad

9 Ibid, p.15

10 Ibid, p.15

Figura 17. Variacin de la movilidad con el des-

orden energtico, asumiendo desvanecimien-

to del desorden posicional.

Fuente: WONG, Man Hoy. Charge transport

and injection in doped organic semiconduc-

tors. Universidad de Cornell. Mayo de 2004.

[consulta: feb 2005]

Figura 18. Variacin de la movilidad con el des-

orden posicional asumiendo desvanecimiento

del desorden energtico.

Fuente: WONG, Man Hoy. Charge transport

and injection in doped organic semiconduc-

tors. Universidad de Cornell. Mayo de 2004.

[consulta: feb 2005]


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Electrnica |

| 45

co es cero. En esta gura se observa

que al aumentar el desorden posicio-

nal se aumenta la movilidad, lo cual se

debe a que este desorden introduce

muchas rutas alternas, es decir, quesi en la direccin del campo elctrico

la barrera de potencial es muy gran-

de, es actible que en otras direccio-

nes se encuentren barreras menos an-

chas por las cuales los portadores pue-

dan tomar atajos, incluso en direccio-

nes en contra del campo elctrico. Sin

embargo a medida que el campo apli-

cado aumenta, los portadores de car-

ga son obligados a obedecer la ruta

sealada por el campo y las rutas al-

ternas ya no se pueden tomar, con lo

cual disminuye la movilidad.

Habiendo considerado los tres acto-

res de los que depende la movilidad,

el modelo de Bssler, con el objeto de

encontrar una rmula general para la

movilidad, toma todos los actores en

conjunto y llega una ley universal que

relaciona los tres eectos:

En la ecuacin 5, C es un parmetro del

sistema que depende del material.

Teniendo en cuenta todo lo anterior se

puede concluir que:

- Segn Man Hoy Wong11, Mediante

una combinacin adecuada de des-

orden energtico y de desorden posi-

cional se puede lograr que la movili-

dad de un semiconductor orgnico nodependa del campo elctrico aplicado

(sea constante en la prctica), siem-

pre y cuando este se mantenga den-

tro de un rango especco.

- El desorden energtico disminuye la

movilidad y en si mismo disminuye con

el campo elctrico.

- El desorden posicional aumenta la mo-

vilidad, pero tambin disminuye con el

campo elctrico.

- El campo elctrico hace que la mo-vilidad de un semiconductor orgni-

co no sea constante (pero este eec-

to tiene solucin) y satura la movilidad

de los portadores de carga a campos

elevados.

La gura 19 muestra la movilidad de

los huecos en TAPC/polycarbonate ante11 Ibid, p.16

expexp C

exp C

2SMS3%M

2

2

S3

S

E1/2;

E1/2;

3

3

Ecuacin 5. Movilidad relacionada con E y el desorden energtico y posicional.


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| Electrnica

46 |

la presencia de ambos parmetros de

desorden y del campo elctrico.

2.2 Conductividad en los semicon-ductores orgnicos.Teniendo en cuenta el modelo de tras-

porte de cargas en los semiconduc-

tores orgnicos y el comportamiento

de la movilidad con el desorden y el

campo elctrico, podemos encontrar

la conductividad de un semiconductor

orgnico cilmente, ya que por deni-

cin la conductividad es:

=neEcuacin 6. Ecuacin de la conductividad.

En donde n es la concentracin de

portadores de carga, e es la carga

del electrn y es la movilidad de los

portadores de carga, la cual tiene la

orma encontrada en el numeral ante-

rior. Sin embargo la conductividad va-

ra con la temperatura, ya que si sta

se incrementa, tambin se incremen-

tan el nmero de sitios alcanzables,

ya que se puede hacer hopping has-

ta estados localizados ms alejados o

de mayor energa, debido a que con la

temperatura se aumentan los onones

y la energa, y en este orden de ideas

una partcula subatmica puede tras-

ladarse mediante eecto tnel a mayo-

res distancias. La dependencia que

tiene la conductividad en los semicon-

ductores orgnicos (T) con respecto ala temperatura, est dada por la ecua-

cin 7, en donde o(T) es un actor de-

pendiente de la temperatura, To

es la

temperatura de reerencia (relaciona-

da con la DOS en el nivel de Fermi) y

d la dimensin del salto12.

S4S4 eT0T

1

1+d( )

Ecuacin 7. Conductividad dependiente de

la temperatura

Adicionalmente el nmero de estados

localizados disponibles, es incremen-

tado mediante el aumento del nivel de

dopaje, lo cual mejora la conductivi-

dad. Pero para los polmeros conjuga-

dos altamente dopados, la conductivi-

dad con respecto a la temperatura se

asemeja al comportamiento de un me-tal, en el cual la conductividad decrece

con el incremento de la temperatura13.

En estos casos la ecuacin anterior ya

no es vlida, debido a que las molcu-

las individuales se comportan como me-

tales y en este caso el modelo cambia

un poco respecto al anterior y consiste

en que el material est constituido por

granos metlicos o islas metlicas ro-

deadas por un medio con una banda de

gap con estados localizados. Este mo-

delo, basado en el desorden heterog-neo de polmeros conjugados altamen-

te dopados, sugiere que el mecanismo

de transporte de cargas dentro de las

islas metlicas es similar al de los me-

tales y entre islas sigue siendo el hop-

ping. La conductividad dependiente de

la temperatura (T) en este modelo esexpresado de acuerdo a la ecuacin 8,

para pequeas islas metlicas (~nm),

dondeo y To son constantes del mate-rial, y de acuerdo a la ecuacin 9, para

islas metlicas ms largas (~m), don-

de T1 y T2 son constantes del material

que dependen del ancho y la altura de

la barrera de tunelaje14.

S4S eT1

T+T2( )

Ecuacin 8. Conductividad entre islas sepa-

radas por nanmetros.

S4S eT0T

1/2

( )

Ecuacin 9. Conductividad entre islas sepa-

radas por micrmetros.

11 Ibid, p.16

12 LARSSON, Oscar. Empirical parameterization o organic electrochemical transistors. [en lnea]

s.l.Universidad de Linkpings. 2004.p.16.[cons: Octubre: 2004].

13 Ibid, p.19

14 Ibid, p.21

M(

cm2/V-5)

10-5

10-6

10-7

10-3

10-4

E1/2 [103 (V/cm)1/2]

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

T (K)

329319

309299

289

279

269

259

249

239

229

Continuar...

Figura 19. Movilidad del TAPC:PC con desorden energtico y posicional.

Fuente: WONG, Man Hoy. Charge transport and injection in doped organic semiconductors. Uni-

versidad de Cornell. Mayo de 2004. [con-

sulta: feb 2005]


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| Electrnica

100 |

Elaborado Por: Luis Guillermo Durango MercadoElectrnica orgnicaPortadores de carga y transpor-te de cargaHabiendo descrito en el captulo ante-

rior el modelo de transporte de cargas

en los semiconductores orgnicos, en

este captulo nos reeriremos a los por-tadores de carga, que en el caso de los

materiales orgnicos, a causa de la na-

turaleza misma de los compuestos que

orman estos materiales, son un tanto

dierentes a los electrones y huecos de

los semiconductores inorgnicos.

Para entender, por qu los portadores

de carga de los semiconductores or-

gnicos son dierentes que los de los

semiconductores inorgnicos, hay que

tener en cuenta que cuando un semi-conductor inorgnico se dopa, los to-

mos dopantes que son los encargados

de aportar los electrones o los huecos,

tambin son los que suren los mayo-

res cambios energticos, conducien-

do esto a que la estructura de los en-

laces en estos materiales no cambie.

En contraste, en los semiconductores

orgnicos, como dice Oscar Larsson1,

tanto en el dopado electroqumico co-

mo en el dopado qumico, no se intro-

ducen tomos en la cadena principal

del semiconductor y por lo tanto al no

haber tomos que soporten los cam-

bios energticos creados en la orma-

cin de los portadores de carga, el

desequilibrio es soportado por la es-

tructura misma del semiconductor, pro-

vocando cambios estructurales en s-

ta. Para entender bien este enmeno

miremos la fgura 20. En esta fgura se

esquematiza en (B) un cristal de silicio

el cual es dopado con soro (P), y se

puede observar que la estructura de

los enlaces no varia, ya que el desba-

lance se da en el tomo de soro y

la estructura original del cristal sigue

siendo la de menor energa.

Sin embargo en la fgura 21, se ve en

(E), que en un semiconductor orgni-

co, al crearse un portador de carga, ya

sea por dopado qumico o electroqu-

mico, se genera un desequilibrio en el

lugar donde se orm, que en su ca-

so es la estructura principal del semi-

conductor. Aqu se observa que el po-

lmero al ser oxidado (retiro de un elec-

trn), origina segn Oscar Larsson2, la

ormacin de un catin (carga positi-

va) y un radical (electrn desaparea-

do) y por lo tanto la desaparicin delenlace . El que el enlace desapa-

rezca, conduce a que la longitud del

enlace entre los dos tomos de carbo-

no aumente (ver fgura 21E), adems

al quedar los tomos de carbono sin

sus capas llenas son muy inestables y

en consecuencia, la molcula en bus-

ca de mayor estabilidad, reorganiza su

enlaces, como se ve en (F).

Ud. se preguntar cmo se lleva a

cabo todo este enmeno?. Para res-

ponder esta pregunta observemos la

fgura 22.

ENTREGA 5

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Si P Si

Si Si Si

Si Si Si

Si P Si

Si Si Si

A B C

s

s

s

s

s

Electron

s

s

s

s

s

s

s

s

D E

s

s

s

s

s

s

Figura 20. Estructura de un cristal de Silicio.

Figura 22. Energa contra distancia del radi-

cal-catin.

Figura 21. Estructura de un semiconductor orgnico dopado.

distancia

Energa

potencial

1Ibid, p. 17

2Ibid, p.17


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| Electrnica

102 |

En esta fgura el crculo negro al lado

izquierdo representa la distancia y la

energa del catin- radical cuando se

encuentran juntos, como en la parte

(E) de la fgura 21. En esta instancia elconjunto catin- radical es muy ines-

table (posee mucha energa potencial

elctrica) y en pro de la estabilidad se

separan, pero durante su separacin,

cambian la confguracin de los enla-

ces de los monmeros que quedan en-

tre ellos, debido a que cambiar la es-

tructura de los enlaces es ms estable

que si el catin y el radical se trasla-

daran sin cambiar los enlaces. Ud., se

preguntar, por qu es ms estable?.

La respuesta la obtenemos estudiando

la fgura 23. En esta fgura vemos un

polmero conjugado oxidado, en don-de en (A), las partculas (catin y radi-

cal) no cambian los enlaces, y por lo

tanto el total de enlaces dobles es de

4, mientras que en (B), las partculas

cambian la confguracin de los enla-

ces, y el total de enlaces dobles es de

5, por lo tanto, al tener (B) mayor n-

mero de enlaces dobles es ms esta-

ble, debido a que el enlace doble al

estar compuesto por enlaces y en-

laces , es muy uerte.

Sin embargo cabe recordar que unaestructura que no este oxidada, como

la (C), es ms estable que las dos an-

teriores (tienen ms enlaces dobles),

y sta se presenta en el resto del pol-

mero que no esta oxidado. En este or-

den de ideas y recordando que para

separar algo muy estable hay que su-

ministrar mucha energa, seguramente

Ud. se debe preguntar cmo es posi-

ble que el radical y el catin se sepa-

ren, si estn en medio de una confgu-

racin de enlaces ms estable?, y larespuesta, es que se separan debido

a que la energa inicial es muy grande,

lo que les permite abrirse campo en-

tre una confguracin tan estable, pe-

ro durante este proceso la energa se

relaja, hasta llegar a un punto deter-

minado en donde la relajacin ha si-

do tanta, que ya no hay energa suf-

ciente para que el radical y el catin

se sigan apartando uno del otro, pun-

to este en el cual el radical- catin ha

alcanzado la mayor estabilidad, que-dando confnado en medio de una ba-

rrera de potencial, originada por la ma-

yor estabilidad de la confguracin de

los enlaces circundantes. Teniendo en

cuenta lo anterior, vemos que en un

semiconductor orgnico, los portado-

res de carga no se presentan simple-

mente como electrones o huecos, sino

que debido a la inestabilidad produci-

da en el dopaje, los portadores de car-

ga en estos semiconductores son un

conjunto mucho mas complejo, conor-mado por una carga (electrn o hue-

co) y un radical, en medio de los cua-

les, se presenta una confguracin de

enlaces menos estable que la del se-

miconductor no dopado.

Habiendo entendido, el porqu en los

semiconductores orgnicos, los por-

tadores de carga son dierentes, en-

traremos ahora a clasiicar los die-

rentes tipos de portadores de carga

que se orman en este tipo de semi-conductores.

3.1 CLASIFICACIN DE LOS PORTA-DORES DE CARGA EN LOS SEMICON-DUCTORES ORGNICOSPara poder clasifcar los portadores

de carga, segn David Nilsson3, pri-

mero tenemos que clasifcar los tipos

de semiconductores de acuerdo con la

energa de sus enlaces, ya que de es-

H H

H H H H

H H

H H

H H

A.

H H

H H H H

H H

H H

H H

B.

H H

H H H H

H H

H H

H H

C.

Figura 23. Estructuras de enlaces.

3NILSSON, David. An Organic Electrochemical transistor or Printed Sensors and Logic. [en lnea]. s.l.: Univer-

sidad de Linkpings, Institute o technology. 2005. http://www.ep.liu.se/dess/ science_technology/09/21/digest.

pd. p.16. [consulta: Febrero de 2005 ]


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| Electrnica

104 |

ta clasifcacin depende el tipo de por-

tadores que se ormaran. De acuerdo

con la energa de los enlaces, los se-

miconductores orgnicos se clasifcan

en: semiconductores de estado basedegenerado y semiconductores de es-

tado base no degenerado. Los prime-

ros se caracterizan por que sus enla-

ces simples y dobles se pueden inter-

cambiar sin cambiar la energa de su

estado base y los segundos se carac-

terizan por que el intercambio de sus

enlaces esta asociado con dos estados

de energa dierentes. En la fgura 24,

podemos observar ejemplos de estos

tipos de semiconductores. Es impor-

tante tener en cuenta, que en la prc-tica, la mayora de los semiconducto-

res y los ms importantes para aplica-

ciones en dispositivos electrnicos, se

destacan por ser semiconductores de

estado base no degenerado.

3.1.1 Semiconductores de estado ba-se no degenerado

Como ya dijimos estos semiconducto-res se caracterizan porque sus ener-

gas cambian cuando se intercambian

los enlaces simples y dobles, en con-

secuencia, vemos que el ejemplo uti-

lizado para explicar por qu en los se-

miconductores orgnicos los portado-res de carga eran dierentes, es un ca-

so tpico de semiconductor de estado

base no degenerado. Por lo tanto, co-

nociendo las caractersticas de estos

semiconductores, veamos los dieren-

tes tipos de portadores de carga que

se pueden ormar en estos. Segn Da-

vid Nilsson4, cuando un semiconduc-

tor orgnico de estado base no de-

generado se dopa de tal manera que

sea de tipo p (tipo n), es decir porta-

dor de cargas positivas (portador decargas negativas), lo que se hace es

oxidar (reducir) el material, con lo que

se obtiene un semiconductor con un

tipo de portador de carga denomina-

do polarn positivo (negativo), el cual

esta conormado por un catin (anin),

unido a un radical mediante una nue-

va confguracin de los enlaces. En

este tipo de portador, la carga es po-

sitiva (negativa) ya que el radical que

se orma es de carga neutra. Habien-

do oxidado (reducido) una ves el se-

miconductor, este polarn puede ser

nuevamente oxidado (reducido) qui-tando el electrn del radical (adicio-

nando un electrn al radical), con lo

que se genera un dicatin (dianin),

el cual recibe el nombre de bipolarn

positivo (negativo).

En la fgura 26 se observa el proceso

cmo se orman polarones y bipola-

rones, y en la fgura 27, se ven los ni-

veles de energa generados por estos

portadores de carga. En esta ltima f-

gura, a la derecha se observa un pol-

mero en donde se han generado ban-das de bipolarn, las cuales tienen su

origen en un polmero altamente dopa-

do. Cuando un semiconductor tiene un

nivel muy alto de dopaje, antes de or-

marse dos polarones aislados en una

misma cadena polimrica, se orman bi-

polarones, ya que es mas cil quitarle

o adicionarle un electrn a un radical,

el cual es inestable, que a un tomo

trans-poliacetileno

Figura 25. Dos ases con igual energa, de un

polmero con estado base degenerado.

Fuente: LARSSON, Oscar. Empirical paramete-

rization o organic electrochemical transistors.

[en lnea].s.l.: Universidad de linkpings. Junio

de 2004.

[consulta: Oct 2004].s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

-e-

-e-

Polmero

neutro

Polaron

Bipolaron

4Ibid, p. 17

Figura 26. Generacin de polarones positivos y bipolarones en el PEDOT.

Fuente: NILSSON, David. An Organic Electrochemical transistor or Printed Sensors and Logic.

Universidad de Linkpings, Institute o technology. 2005. [consulta: ebrero de 2005].

Aromtico

Quinoide

cis-poliacetileno

Figura 24. Confguracin de enlaces de die-

rente energa en un polmero con estado ba-

se no degenerado.

Fuente: LARSSON, Oscar. Empirical paramete-

rization o organic electrochemical transistors.

[en lnea].s.l.: Universidad de linkpings. Junio

de 2004.

[consulta: Oct 2004].


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| Electrnica

106 |

que se encuentre establemente enla-

zado y con su ltima capa llena.

3.1.2 Semiconductores de estado ba-se degeneradoSegn David Nilsson5, cuando un se-

miconductor con un estado base de-

generado es dopado, al igual que en

los semiconductores de estado base

no degenerado, la oxidacin (reduc-cin) inicial produce un polarn posi-

tivo (negativo), pero a dierencia de los

polarones de los materiales con esta-

do base no degenerado, estos no es-

tn obligados a permanecer enlazados,

ya que en este caso ambas confgura-

ciones de los enlaces tienen la misma

energa, por lo tanto los enlaces que

se encuentran entre el catin (anin) y

el radical, tienen la misma energa que

los enlaces contiguos. En consecuen-

cia si dicho polarn se vuelve a oxidar

(reducir), retirando (adicionando) un

electrn al radical, el resultado sern

dos cargas positivas (negativas) inde-

pendientes, las cuales reciben el nom-

bre de solitn positivo (negativo). Los

solitones tambin pueden ser neutros,

y estos se orman cuando en la abri-

cacin del semiconductor dos mol-

culas con estado base degenerado y

con los enlaces trocados se unen, co-

mo se observa en la fgura 29. Los so-litones al igual que los polarones y los

bipolarones se comportan individual-

mente como una sola unidad, y se de-

nominan cuasi-partculas, debido a que

se comportan como partculas (elec-

trones o huecos), pero sin serlo. La

ormacin de solitones al igual que la

de polarones y bipolarones, resulta ennuevos estados localizados en la mi-

tad de la banda de gap y ante un alto

nivel de dopaje, los solitones pueden

interactuar con los dems para ormar

una banda continua de solitones. Los

solitones se caracterizan tambin por

que pueden portar carga o no (solito-

nes neutros) y adems por que para

moverse a lo largo del semiconductor

necesitan menos energa de activa-

cin que los bipolarones y los polaro-

nes en los semiconductores de esta-do base no degenerado.

Continuar...

Figura 27. Niveles de energa de un polmero neutro, un polarn positivo, un bipolaron positivo

y un polmero con bandas de energa de bipolaron.


Universidad de Linkpings, Institute o technology. 2005. [consulta: ebrero de 2005].

banda de

conduccin

banda de

valencia

polmero neutro Polaron Bipolaron bandas de

bipolaron

Oxidacin de un polmero neutro

Un polaron positivo

Una pareja de solitones positivos

solitonneuiral

solitonpositivo

solitonnegativo

banda deconduccin

banda devalencia

solitonneutral

carga: ceroespin: 1/2

solitonpositivo

carga: +eespin: cero

solitonnegativocarga: -e

espin: cero

Figura 28. Formacin de solitones.

Figura 29. Tres tipos de solitones y sus bandas de energa.


[en lnea].s.l.: Universidad de Linkpings, Institute o technology. 2005. [consulta: ebrero de 2005].

5Ibid, p. 18


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Elaborado Por: Luis Guillermo Durango MercadoElectrnica orgnica3.2 Transporte electrnico decargaAnteriormente hemos estudiado el mo-delo

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