Un equipo de investigadores de la MSU Lomonosov, en colaboración con sus colegas alemanes del Instituto de Investigación de Polímeros de Dresde (Instituto Leibniz), consiguió encontrar una molécula que, a su juicio, podría impulsar el desarrollo de la electrónica orgánica. Los resultados del trabajo se publicaron en Advanced Materials.
Científicos de la Universidad Estatal de Moscú, junto con colegas de Alemania, han descubierto que un derivado del-radialeno, una molécula conocida por la ciencia desde hace casi 30 años, puede utilizarse para crear semiconductores orgánicos. Dmitry Ivanov, director del Laboratorio de Ingeniería de Materiales del Departamento de Física Fundamental e Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Moscú, cree que este logro contribuirá en gran medida al desarrollo de la electrónica orgánica y, en particular, a la fabricación de diodos orgánicos emisores de luz y nuevas clases de células solares orgánicas.
Eelectrónica orgánica
La electrónica orgánica o «de plástico» es un campo científico relativamente joven, que surgió hace unos 15-20 años. Su objetivo es el desarrollo de dispositivos electrónicos basados en materiales orgánicos. Este tipo de dispositivos es todavía inferior a la electrónica estándar basada en el silicio en términos de rendimiento, y también menos duradera. Pero también tiene ventajas: ligereza, delgadez, flexibilidad, transparencia y, lo más importante, la electrónica de plástico es mucho más barata que la de silicio. Entre las principales aplicaciones de la electrónica orgánica se encuentran las células solares, que serán mucho más baratas que los módulos basados en el silicio (uno de los motivos es su elevado coste, que impide a estos últimos cubrir grandes superficies y así aprovechar mejor la energía del sol). Además, la electrónica orgánica puede servir para diseñar dispositivos orgánicos emisores de luz y transistores de efecto de campo.
La molécula en cuestión es el llamado dopante, cuya adición a un polímero semiconductor aumenta sustancialmente su conductividad eléctrica. Los dopantes para semiconductores inorgánicos se utilizan ampliamente desde hace décadas, sin embargo, según uno de los coautores del artículo, Dmitry Ivanov, para los conductores orgánicos este campo está mucho menos estudiado. Actualmente, los más utilizados son los dopantes fluorados. En combinación con diferentes semiconductores orgánicos son capaces de aumentar drásticamente su conductividad eléctrica, pero no todos los polímeros que se utilizan hoy en día en la electrónica «de plástico» son adecuados.
Junto con nuestros colegas de Drezden, decidimos diseñar un tipo completamente nuevo de dopante de bajo peso molecular para el semiconductor orgánico», explica Dmitry Ivanov. ‘Y aquí era importante elegir una molécula que no sólo fuera adecuada en sus niveles de energía, sino que, lo que es más importante, el dopante debía estar bien mezclado con el polímero, para que en contacto con éste no se segregara en una fase separada, acabando por cristalizar y, de hecho, perdiendo el contacto con el polímero’.
La principal contribución del laboratorio de Ivanov en este trabajo consistió en explorar la física de las transiciones de fase, la física de la mezcla en tales sistemas binarios, en otras palabras, en encontrar un candidato adecuado en términos de física de polímeros.
Y ese candidato se encontró. Resultó ser un derivado del-radialeno. Se trata de una pequeña molécula plana en la que los átomos de carbono están conectados para formar una estructura triangular. Entre otros compuestos potencialmente interesantes, el -radialeno tiene el nivel LUMO más adecuado energéticamente, es decir, el orbital molecular más bajo desocupado. Esto significa que con su ayuda los electrones se extraen fácilmente de la matriz polimérica semiconductora, convirtiéndose en cargas libres y aumentando así la conductividad del material dopado. El-Radialeno se convierte así en el dopante más fuerte para el semiconductor orgánico entre los que se conocen en la literatura científica.
Radialeno
Los experimentos con el -radialeno, confirmados también por los resultados de los cálculos cuánticos-químicos, muestran que la sustancia se mezcla bien con un polímero semiconductor y permite aumentar la conductividad eléctrica del polímero en varias decenas e incluso cientos de veces. Se ha comprobado que hasta el 50 por ciento del contenido del dopante en el polímero no se produce la separación de fases, sino que se modifica gradualmente la estructura cristalina del polímero. Esto significa que las moléculas de dopante se incluyen en la red cristalina del polímero y forman el llamado cocristal. Y la formación de cocristales, según Ivanov, es precisamente una de las principales razones de la alta eficacia del nuevo compuesto.
El nuevo dopante descrito, al igual que sus análogos fluorados y los más populares en la actualidad, pertenece a la categoría de dopantes orgánicos deficientes en electrones, explica Dmitry Ivanov. Se sabe que los sustituyentes de flúor alejan fuertemente los electrones de la parte central de la molécula, lo que aumenta la conductividad total del polímero dopado. En el presente trabajo, la estructura química del dopante es completamente diferente y, de hecho, parece ser incluso mejor. La mezcla perfecta de nuestro dopante
