Semicondutores Orgânicos
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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.
Origem da semicondução
A estrutura dos materiais orgânicos pode ser definida como sólidos moleculares, uma vez que a unidade estrutural, ou célula unitária, que se repete na rede sólida é uma molécula. No entanto, ao contrário dos sólidos inorgânicos, a natureza das interações intermoleculares que governam a ordenação do estado sólido é de natureza não covalente, consulte a Figura 1.
A fraqueza das interações não covalentes dificulta a adoção de uma estrutura ordenada que favoreça uma sobreposição ideal dos orbitais pertencentes às moléculas próximas com as quais se pretende interagir. Consequentemente, salvo casos excepcionais, a estruturação das bandas de energia não é favorecida e os níveis de energia no sólido serão definidos por níveis localizados em cada molécula. Porém, é possível estabelecer um paralelo com o dos semicondutores inorgânicos, isto entre as bandas de valência e condução e os orbitais moleculares. Assim, o orbital HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) estaria relacionado ao limite superior da banda de valência, que estará separado por um espaçamento de energia do orbital LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) que corresponde ao limite inferior da banda de condução, como pode ser visto demonstrado na Figura 2.
Para muitos compostos orgânicos, esse espaçamento de energia entre os orbitais HOMO e LUMO está dentro da faixa dos semicondutores inorgânicos, 3 eV. Por esse motivo, algumas dessas moléculas orgânicas, que também possuem certas características estruturais, poderiam funcionar como materiais semicondutores. Porém, devido à ausência de bandas, o movimento dos elétrons é geralmente descrito por transferências de carga entre níveis localizados nas moléculas constituintes do material sólido, o que dificulta seriamente a condução de corrente elétrica em comparação aos materiais inorgânicos.
Em materiais orgânicos, esses estados ou locais localizados são: os estados de moléculas individuais em cristais moleculares, os estados de cadeias poliméricas individuais ou os estados de segmentos dessas cadeias onde a conjugação é interrompida por defeitos estruturais ou químicos. Tendo definido os estados ou sítios localizados e tendo em mente que estes sítios atuam como poços potenciais, a transferência de carga entre sítios ocorre através de saltos ou saltos quânticos onde os portadores de carga através de tunelamento assistido por fônons (vibrações da estrutura do material) passam de um sítio para outro, sob certas condições especiais.
Apesar da dificuldade de transporte de carga em semicondutores orgânicos, a densidade de corrente que eles podem conduzir é poderosa o suficiente para torná-los adequados para a fabricação de dispositivos eletrônicos, tornando-os uma alternativa tecnologicamente interessante para a indústria eletrônica.
Classificação
Os materiais orgânicos, pela sua natureza, podem formar uma infinidade de compostos de diferentes tamanhos, formas e estruturas, e consequentemente existem inúmeros parâmetros de classificação. Em relação aos compostos orgânicos que possuem características condutoras, eles geralmente são classificados em dois grupos de acordo com seu peso molecular, são eles: moléculas de baixo peso molecular e moléculas de alto peso molecular. As primeiras referem-se a moléculas conjugadas, com tamanho inferior a 20 monômeros, conhecidas como oligômeros, e as segundas abrangem moléculas conjugadas com mais de 20 monômeros, conhecidas como polímeros. Ambos os tipos de compostos orgânicos diferem entre si em tamanho e propriedades físicas, embora compartilhem propriedades elétricas semelhantes.[3].
No campo da eletrônica orgânica, essas moléculas caracterizam-se por serem constituídas por um número não muito grande de átomos, com estrutura de ligação conjugada e por formarem cristais do tipo molecular. Esses cristais diferem dos cristais do tipo atômico, como aqueles formados por silício, germânio ou carbono (diamante), pois os primeiros são formados pela união de moléculas individuais que são ligadas intramolecularmente por fortes ligações covalentes, mas que são unidas intermolecularmente por forças fracas, como van der Waals, enquanto os cristais do tipo atômico são inteiramente uma única molécula fortemente ligada por ligações covalentes. Esta diferença faz com que os cristais do tipo atómico gerem estruturas de bandas muito bem definidas porque este tipo de cristais são muito fortes e a estrutura dos seus estados de energia permanece inalterada, enquanto nos cristais moleculares, estando unidos por atracções tão fracas, e por terem um número muito baixo de átomos por molécula, o seu acoplamento energético é baixo e a sua estrutura energética é alterada muito facilmente, fazendo com que este tipo de materiais tenham muito pouca importância na estrutura das bandas de energia na forma como conduzem. correntes elétricas. Deve-se notar que apesar da facilidade com que a ordem energética é interrompida, os cristais de pequenas moléculas mantêm uma ordem considerável. Os semicondutores fabricados com moléculas pequenas destacam-se por apresentarem melhores níveis de condução que os semicondutores poliméricos, mas por serem muito difíceis de preparar em soluções impedem que sejam depositados com técnicas de fabricação de baixo custo como impressão convencional ou spin coating, e por isso não podem formar filmes finos de grande área.
Polímeros semicondutores
Os polímeros caracterizam-se por serem cadeias muito longas, compostas por monômeros, onde cada monômero está ligado por ligações covalentes. Isto leva à formação de bandas de energia dentro das cadeias poliméricas, como nos semicondutores inorgânicos, pois existe uma grande quantidade de unidades monoméricas fortemente ligadas. Porém, essas cadeias têm comprimento finito, e um composto polimérico é formado por milhões dessas cadeias, que são muito fracamente acopladas, por isso nos polímeros, como nos cristais moleculares orgânicos conjugados, a estrutura da banda de energia não apresenta muita relevância na corrente total do semicondutor. Os polímeros semicondutores, diferentemente dos cristais moleculares, são mais facilmente solúveis, o que permite que sejam depositados por impressão convencional ou spin coating, e assim sejam depositados em filmes finos de grande área com baixíssimo custo. Além disso, os polímeros semicondutores possuem características dos materiais poliméricos, como flexibilidade e durabilidade. Em relação à condutividade, como os polímeros possuem estruturas amorfas, eles apresentam condutividade menor que os cristais moleculares.[3].