Semiconductores orgánicos
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Los materiales orgánicos son compuestos que basan su estructura en el átomo de carbono. Este al igual que el silicio y el germanio forman parte del grupo IV de la tabla periódica y como es una característica de los elementos de este grupo, poseen una valencia de cuatro, lo que les permite enlazarse a cuatro átomos más. El carbono, así como los demás elementos del grupo IV presentan una distribución electrónica que termina en sp.
Origen de la semiconducción
La estructura de los materiales de naturaleza orgánica se puede definir como sólidos moleculares, ya que la unidad estructural, o celda unitaria, que se repite en la red sólida es una molécula. Sin embargo, a diferencia de los sólidos inorgánicos, la naturaleza de las interacciones intermoleculares que gobiernan el ordenamiento en estado sólido es de carácter no covalente, véase la figura 1.
La debilidad de las interacciones no covalentes dificulta la adopción de una estructura ordenada en la que se favorezca un solapamiento óptimo de los orbitales pertenecientes a las moléculas cercanas con las que se pretende interaccionar. En consecuencia, salvo en casos excepcionales, la estructuración de bandas de energía no se encuentra favorecida y los niveles energéticos en el sólido, quedarán definidos por niveles localizados sobre cada molécula. Sin embargo, es posible establecer un paralelismo al de los semiconductores inorgánicos, esto entre las bandas de valencia y conducción y los orbitales moleculares. Así, el orbital HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) se relacionaría con el límite superior de la banda de valencia, que se encontrará separado por un espaciado energético del orbital LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) que corresponde con el límite inferior de la banda de conducción, como puede verse demostrado en la figura 2.
Para muchos compuestos orgánicos este espaciado energético entre los orbitales HOMO y LUMO se encuentra dentro del rango de los semiconductores inorgánicos, 3 eV. Por este motivo, algunas de esas moléculas orgánicas, que además presentan características estructurales determinadas, podrían funcionar como materiales semiconductores. No obstante, debido a la ausencia de bandas, el desplazamiento de los electrones suele describirse mediante transferencias de carga entre niveles localizados en las moléculas constituyentes del material sólido, lo cual dificulta seriamente la conducción de una corriente eléctrica en comparación a los materiales inorgánicos.
En los materiales orgánicos, estos estados localizados o sitios son: los estados de las moléculas individuales en los cristales moleculares, los estados de las cadenas poliméricas individuales o los estados de los segmentos de estas cadenas donde la conjugación es interrumpida por defectos estructurales o químicos. Habiendo definido los estados localizados o sitios y teniendo presente que estos sitios actúan como pozos de potencial, la transferencia de carga entre sitios se da mediante saltos cuánticos o hopping en donde los portadores de carga mediante efecto túnel asistido por fonones (vibraciones de la estructura del material) pasan de un sitio a otro, bajo ciertas condiciones especiales.
Pese a la dificultad que presenta el transporte de carga en semiconductores orgánicos, la densidad de corriente que pueden llegar a conducir es lo suficientemente poderosa para hacerlos aptos para la fabricación de dispositivos electrónicos, convirtiéndolos en una alternativa tecnológicamente interesante para la industria electrónica.
Clasificación
Los materiales orgánicos, por su naturaleza, pueden formar una infinidad de compuestos de diferentes tamaños, formas y estructuras, y en consecuencia hay numerosos parámetros de clasificación. En cuanto a compuestos orgánicos que poseen características conductoras se acostumbra a clasificar en dos grupos según su peso molecular, estos son: moléculas de bajo peso molecular y moléculas de alto peso molecular. Las primeras se refieren a moléculas conjugadas, de un tamaño menor a 20 monómeros, que se conocen como oligómeros, y las segundas abarcan a las moléculas conjugadas de más de 20 monómeros, las cuales se conocen como polímeros. Ambos tipos de compuestos orgánicos se diferencian entre sí por su tamaño y propiedades físicas, aunque comparten propiedades eléctricas similares.[3].
En el campo de la electrónica orgánica, estas moléculas se caracterizan por estar constituidas por un número no muy grande de átomos, con una estructura de sus enlaces conjugada y por formar cristales de tipo molecular. Estos cristales se diferencian de los cristales de tipo atómico como los formados por el silicio, el germanio o el carbono (diamante), en que los primeros están conformados por la unión de moléculas individuales que intramolecularmente están unidas por fuertes enlaces covalentes, pero que intermolecularmente se unen mediante fuerzas débiles como la de van der Waals, mientras que los cristales de tipo atómico son en su totalidad una sola molécula que está fuertemente unida por enlaces covalentes. Esta diferencia origina que los cristales de tipo atómico generen estructuras de bandas muy bien definidas debido a que este tipo de cristales son muy fuertes y la estructura de sus estados energéticos permanece inalterada, mientras que en los cristales moleculares al estar unidos por atracciones tan débiles, y por poseer un número muy bajo de átomos por molécula, su acople energético es bajo y su estructura energética se altera con mucha facilidad, originando esto que en este tipo de materiales, la estructura de bandas de energía tenga muy poca importancia en la forma como conducen corrientes eléctricas. Cabe anotar que pese a esa facilidad con que seinterrumpe el orden energético, los cristales de moléculas pequeñas mantienen unorden considerable. Los semiconductores fabricados con pequeñas moléculas, se destacan por presentar mejores niveles de conducción que los semiconductores poliméricos, pero el ser muy difíciles de preparar en soluciones, los inhabilita para poder ser depositados con técnicas de fabricación de bajo costo como impresión convencional o spin coating, y por esta razón, tampoco pueden formar películas delgadas de gran área.
Polímeros semiconductores
Los polímeros se caracterizan por ser cadenas muy largas, compuestas de monómeros, en donde cada monómero está unido mediante enlaces covalentes. Esto conduce a que al haber una grancantidad de unidades monoméricas enlazadas fuertemente, dentro de las cadenasde polímero se formen bandas de energía, como en los semiconductoresinorgánicos. Sin embargo estas cadenas son de longitud finita, y un compuestopolimérico está constituido de millones de estas cadenas, las cuales están muydébilmente acopladas, razón por la que en los polímeros al igual que en loscristales moleculares orgánicos conjugados, la estructura de bandas de energíatampoco presente mucha relevancia en la corriente total del semiconductor. Los polímeros semiconductores a diferencia de los cristales moleculares, son másfácilmente solubles, lo que permite que sean depositados mediante impresiónconvencional o spin coating, y de esta manera ser depositados en películasdelgadas de gran área a muy bajo costo. Adicionalmente, los polímerossemiconductores presentan las características propias de los materialespoliméricos, como son flexibilidad y durabilidad. En cuanto a la conductividad, al presentar los polímeros estructuras amorfas, poseen una conductividad menor a los cristales moleculares.[3].