Clasificación de los semiconductores orgánicos

Los materiales orgánicos, por su naturaleza, pueden formar una infinidad de compuestos de diferentes tamaños, formas y estructuras, y en consecuencia pueden ser clasificados de acuerdo a muchos parámetros, pero en cuanto a los compuestos orgánicos con características conductoras, se clasifican en dos grandes grupos, dependiendo de su peso molecular, que 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 monomeros, las cuales se conocen como oligomeros, y las segundas abarcan a las moléculas conjugadas de más de 20 monomeros, las cuales se conocen como polímeros. Ambos tipos de compuestos orgánicos se diferencian entre si por su tamaño y propiedades físicas, pero en cuanto a las propiedades eléctricas su comportamiento es muy similar. En este apartado tan solo daremos las características generales de ambos tipos de moléculas, y las más utilizados en la industria, ya que los mecanismos utilizados para transportar portadores de carga y comportarse como semiconductores serán descritos más adelante.

Oligomeros semiconductores: 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. Esto 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 se interrumpe el orden energético, los cristales de moléculas pequeñas mantienen un orden 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. Entre los semiconductores orgánicos, las moléculas de bajo peso molecular más utilizadas según la pagina [21], son: TPD, perileno, pentaceno, 6-tiofeno, fullereno (C60) y Alq3. El perileno, el pentaceno y el TPD son materiales transportadores de huecos y usados como materiales fluorescentes en OLED. El 6-tiofeno, es un representante de la familia del tiofeno, el cual es conocido por su gran movilidad de huecos, y es usualmente utilizado en OFETs. El PBD , es un conductor de electrones usado en OLEDs. El C60 o Fullereno es un material con gran afinidad electrónica, y sus derivados son utilizados como aceptores de electrones en dispositivos fotovoltáicos. Por último el Alq3 es un complejo organometálico con una electroluminiscencia de color verde muy eficiente y de muy buena estabilidad, usado en OLED
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 gran cantidad de unidades monoméricas enlazadas fuertemente, dentro de las cadenas de polímero se formen bandas de energía, como en los semiconductores inorgánicos. Sin embargo estas cadenas son de longitud finita, y un compuesto polimérico está constituido de millones de estas cadenas, las cuales están muy débilmente acopladas, razón por la que en los polímeros al igual que en los cristales moleculares orgánicos conjugados, la estructura de bandas de energía tampoco presente mucha relevancia en la corriente total del semiconductor. Los polímeros semiconductores a diferencia de los cristales moleculares, son más fácilmente solubles, lo que permite que sean depositados mediante impresión convencional o spin coating, y de esta manera ser depositados en películas delgadas de gran área a muy bajo costo. Adicionalmente, los polímeros semiconductores presentan las características propias de los materiales poliméricos, como son flexibilidad y durabilidad. En cuanto a la conductividad, al presentar los polímeros estructuras amorfas, presentan una conductividad menor a los cristales moleculares, por razones que veremos en el siguiente capítulo.

Los polímeros semiconductores más utilizados en la industria son: los politiofenos, polipirroles, polianilinas, PPP, PPV, PVK, polyfluoreno, PEDOT-PSS, PPE y los dendrimeros. El PPV es un compuesto muy utilizado en dispositivos electroluminiscentes, este compuesto en la forma de MEH-PPV y ciano-PPV es muy soluble y su banda de gap mejora para el transporte de cargas. El PPE y el PPP y los polifluorenos (PF) también son muy utilizados en dispositivos emisores de luz. El PVK fue uno de los primeros semiconductores orgánicos descubiertos, junto con el poliacetileno y fue el primer polímero en el cual se reportó electroluminiscencia. Los politiofenos son de gran interés por su buena solubilidad y excelentes posibilidades de procesamiento, además presentan gran capacidad de transporte de carga e índices altos de on/off. Uno de los politiofenos más estudiados es el PEDOT . El PEDOT:PSS es el resultado de la polimerización química oxidativa del monómero EDOT en poly (PSS). El sistema resultante que consiste de los polímeros conjugados PEDOT de dopado tipo p y PSS como iones opuestos que mantienen la carga neutral, es altamente conductivo transparente, mecánicamente durable e insoluble. En los últimos años este material transparente está siendo utilizado en muchas aplicaciones en los dispositivos orgánicos electroquímicos y como capa de inyección de huecos en OLED"s (LEDs orgánicos). Los dendrímeros son polímeros hiper-ramificados; su estructura contiene unidades ramificadas repetidas llamadas dendrómeros que se radían desde su centro. Los dendrímeros tienen una concentración extremadamente alta de grupos funcionales que le confieren su alto peso molecular y su volumen. En el campo de los OLEDs, los dendrímeros permiten que las pequeñas moléculas mantengan sus propiedades semiconductoras y adquieran algunas ventajas de los PLEDs, como la capacidad de ser procesadas como solución.