Electronica Orgánica

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    11-Jun-2015

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Recopilacin sobre los fundamentos de la electronica orgnica.

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ELECTRNICA ORGNICA.

LUIS GUILLERMO DURANGO MERCADO

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA MEDELLN 2005

ELECTRNICA ORGNICA

LUIS GUILLERMO DURANGO MERCADO

Trabajo de grado para optar al titulo de Ingeniero Electrnico

Director MAURICIO VANEGAS Ingeniero Electrnico

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA MEDELLN 2005

Nota de Aceptacin

______________________

______________________ ______________________ ______________________

______________________ Presidente del Jurado

______________________ Jurado

______________________ Jurado

Medelln, __________________

DEDICATORIA

A Dios por estar siempre conmigo y a mi grupo familiar, especialmente a mis padres Jorge Ricardo y Mara del Socorro por la oportunidad, por su comprensin y sus invaluables consejos. LUIS GUILLERMO D.M

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a:

A mi director de tesis Mauricio Vanegas, Ingeniero Electrnico, por su tiempo, colaboracin y aportes. A mi amigo Ivn Ignacio Sierra, Ingeniero Electrnico, por su tiempo y colaboracin tcnica. A la Universidad Pontificia Bolivariana y en especial a la Facultad de Ingeniera Elctrica y Electrnica por la enseanza a lo largo de mi carrera.

CONTENIDO

Pag. INTRODUCCIN 1. SEMICONDUCTORES ORGNICOS 1.1 Orbital 1.2 Hibridacin 1.3 Enlaces atmicos 1.4 Caractersticas elctricas del tomo de carbono 1.5 Clasificacin de los semiconductores orgnicos 1.5.1 Oligmeros semiconductores 1.5.2 Polmeros semiconductores 2. FSICA DE LOS SEMICONDUCTORES ORGNICOS 2.1 Movilidad en los semiconductores orgnicos 2.2 Conductividad en semiconductores orgnicos 3. PORTADORES DE CARGA Y TRASPORTE DE CARGA 3.1 Clasificacin de los portadores de carga en lo semiconductores orgnicos 3.1.1 Semiconductores de estado base no degenerado 3.1.2 Semiconductores de estado base degenerado 3.2 Transporte electrnico de carga 4. PROPIEDADES OPTOELECTRNICAS DE LOS SEMICONDUCTORES ORGNICOS 4.1 Luminiscencia y estados optoelectrnicos excitados 4.1.1 Clasificacin de los excitones 4.1.2 Proceso luminiscente en semiconductores orgnicos 4.1.3 Dinmica de los excitones en los semiconductores orgnicos 80 80 81 83 89 28 30 30 32 35 39 47 47 50 54 58 65 67 71 73 75 77

Pag. 5. DISPOSITIVOS ELECTRONICOS ORGNICOS 5.1 OLED (ORGANIC LIGHT EMITER DIODE) 5.1.1 Estructura de un OLED 5.1.2 Funcionamiento de un OLED 5.1.3 Fabricacin de un SMOLED tpico 5.1.4 Fabricacin de un PLED 5.1.5 Materiales para la fabricacin de OLEDs 5.1.6 Tipos de OLEDs 5.1.7 Diferencias entre OLEDs, ILEDs (inorganic LEDs) y LCDs 5.2 TRANSISTORES ORGNICOS DE EFECTO DE CAMPO 5.2.1 Diseo del transistor 5.2.2 Descripcin de la operacin de un OFET 5.2.3 Velocidad de circuitos con OFET 5.2.4 Caractersticas de los materiales usados en OFET 5.3 CAPACITORES DE POLYPYRROLE 5.3.1 Teora de Operacin 5.3.2 Conclusiones 5.4 CELDAS FOTOVOLTAICAS ORGNICAS 5.5 LSER ORGNICO 5.5.1 Estructura del lser 5.5.2 Conclusiones 6. AVANCES RECIENTES CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA 92 92 93 94 95 96 97 100 104 108 109 111 118 121 122 123 131 132 137 138 141 142 145 148

LISTA DE FIGURAS.

Pag. Figura 1. Orbital 1s. Figura 2. Orbitales p. Figura 3. Tipos de hibridacin en los atmos del grupo IV. Figura 4. Energa de enlace. Figura 5. Enlaces moleculares sigma () entre orbitales atmicos p. Figura 6. Enlaces moleculares pi () entre orbitales atmicos p. Figura 7. Estructura de un polmero conjugado. Figura 8. Diagrama de energa de un enlace molecular. Figura 9. Tipos de dienos. Figura 10. Compuesto de PEDOT:PSS. Figura 11. Principales semiconductores de bajo peso molecular. Figura 12. Estructura energtica de una pequea molcula orgnica. Figura 13. Principales polmeros semiconductores. Figura 14. Estructura energtica de un polmero conjugado. Figura 15. Pozo de potencial o sitio. Figura 16. Hopping asistido por fonones. Figura 17. Variacin de la movilidad con el desorden energtico, asumiendo desvanecimiento del desorden posicional. Figura 18. Variacin de la movilidad con el desorden posicional asumiendo desvanecimiento del desorden energtico. Figura 19. Movilidad del TAPC:PC con desorden energtico y posicional. 64 Figura 20. Estructura de un cristal de silicio. Figura 21. Estructura de un semiconductor orgnico. Figura 22. Energa contra distancia del radical-catin. 68 68 69 62 61 32 32 34 37 38 38 41 42 42 45 49 49 52 52 55 56

Pag. Figura 23. Estructuras de enlaces. Figura 24. Configuracin de enlaces de diferentes energas en un polmero de estado base no degenerado. Figura 25. Dos fases con igual energa, de un polmero con estado base degenerado. Figura 26. Generacin de polarones positivos y bipolarones en el PEDOT. Figura 27. Niveles de energa de un polmero neutro, un polarn, un bipolaron y un polmero con bandas de energa de bipolaron. Figura 28. Formacin de solitones. Figura 29. Tres tipos de solitones y sus bandas de energa. Figura 30. Transporte de un bipolaron a lo largo de una cadena de PEDOT. Figura 31. Hopping entre cadenas polimricas. Figura 32. Representacin esquemtica de los estados excitnicos. Figura 33. Tipos de excitones. Figura 34. Diagrama de energa para una molcula en su estado base y excitado, mostrando energa potencial vs distancia nuclear. Figura 36. Espectro de absorcin y de emisin. Figura 37. Diagrama de Jablonski. Figura 38. Representacin esquemtica de la dinmica de los excitones en un semiconductor orgnico desordenado. campo elctrico. b) Disociacin de un excitn a lo largo de la misma molcula bajo la influencia de un campo elctrico. Figura 40. Estructura de OLED. Figura 41. Capas funcionales de un OLED. Figura 42. Estructura de SMOLED. Figura 43. Estructura de un PLED. Figura 44. Pequeas molculas. Figura 45. Materiales polimricos. Figura 46. Estructura de un TOLED. 91 93 94 96 97 98 98 101 90 Figura 39. a) Disociacin de un excitn entre molculas, bajo la influencia de un 84 86 89 74 76 76 78 79 82 83 72 74 72 70

Pag. Figura 47. TOLED creado por New Display Opportunities. Figura 48. Arquitectura de un SOLED. Figura 49. OLED flexible. Figura 50. a) Contactos sobre el semiconductor, b) contactos en el fondo del semiconductor. Figura 51. OFET con gate en el fondo en la arquitectura de contactos en el tope . 112 116 120 122 1 133 134 135 140 141 Figura 52. Comportamiento de la capa de acumulacin Figura 53. Esquema de un anillo oscilador Figura 54. Imagen de un circuito plstico de una matriz activa, de Lucent technology Figura 55. Capacitor orgnico Figura 56. Esquema de una celda fotovoltaica orgnica bicapa de unin Plana. Figura 57. Diagrama de energa de una celda fotovoltaica bicapa orgnica. Figura 58. Bicapa fotovoltaica con heterounin. Figura 59. Resonador en forma de anillo. Figura 60. Estructura corrugada de DFB. 110 101 103 107

LISTA DE TABLAS.

Pag. Tabla 1. Propiedades de algunos semiconductores orgnicos Tabla 2. Caractersticas de los SMOLEDs y los PLEDs 99 100

GLOSARIO

ACEPTOR: molcula capaz de recibir electrones. AFINIDAD ELECTRNICA: energa liberada cuando un tomo adquiere un electrn. ANIONES: es un ion (tomo o molcula) con carga elctrica negativa, es decir, con exceso de electrones. Se describen con un estado de oxidacin negativo. NODO: electrodo positivo en una conexin electrnica. ANTIENLACE *: uno de los dos enlaces formados al unirse dos orbitales pz sin hibridar, el cual es menos estable y por lo tanto de mayor energa. Al estar la molcula sin excitacin normalmente se encuentra vaco. ANTIENLACE *: uno de los enlaces formados al unirse dos orbitales sp2, el cual es menos estable y por lo tanto de mayor energa. Al estar la molcula sin excitacin, normalmente se encuentra vaco. Es de mayor energa que el antienlace *. ANTRACENO: semiconductores. hidrocarburo aromtico. Forma cristales moleculares

BIPOLARONES: son cuasi-partculas formadas al oxidarse o reducirse dos veces consecutivas un monmero. Se forman dos cargas del mismo signo las cuales estn acopladas a travs de una distorsin local de la configuracin del enlace. CADENA PRINCIPAL: es la columna vertebral de un polmero, desde donde se ramifican los grupos pendientes o laterales. CATALIZADOR: sustancia (o mezcla de sustancias) que aumenta la velocidad de un proceso qumico sin desgastarse en la reaccin. CATIONES: es un ion (tomo o molcula) con carga elctrica positiva, esto es con deficiencia de electrones. Se describen con un estado de oxidacin positivo. CTODO: electrodo negativo en una conexin electrnica. COMPUESTO ORGANOMETALICO: compuesto que contiene un enlace carbonometal. CONJUGACIN: este trmino hace referencia a una cadena principal en donde los tomos estn enlazados por enlaces que se alternan entre simples y dobles. COPOLMEROS: polmero formado por la unin entre si de diferentes tipos de monmeros. CORRIMIENTO DE STOKES: diferencia de energa entre el espectro de absorcin y el de emisin de una molcula, originada por la interaccin de esta con las molculas vecinas. CRISTAL DE TIPO MOLECULAR: son cristales en los que sus constituyentes son molculas, las cuales aunque intramolecularmente estn unidas por fuertes enlaces covalentes, intermolecularmente estn unidas por fuerzas muy dbiles

como las de Van der Waals, lo que los hace menos acoplados que los cristales atmicos. CRISTAL DE TIPO ATMICO: son cristales en los que sus constituyentes son tomos, los cuales entre si estn unidos por enlaces covalentes y por lo tanto estn muy acoplados y por ende son muy fuertes. CROMFOROS: su nombre proviene del griego y significa dador de color. Corresponden a sectores de la cadena polimrica delimitados por defectos estructurales o energticos. DEDOPAJE: proceso por el cual materiales dopados se devuelven a su estado natural, es decir no dopado. DENDRMEROS: compuestos que crecen en forma fractal o como las ramas de un rbol, y que tienen muchos usos en la industria.