1. Concepto de Electrónica Orgánica
La electrónica orgánica, tambien llamada electrónica de polímeros es aquella rama de la electrónica general que se encarga del estudio y diseño de materiales semiconductores basados en elementos orgánicos compuestos de carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno, entre otros. La ventaja de la Electrónica de Polímeros es que, al sustituir el silicio y el germanio en una parte de las aplicaciones por semiconductores hechos de compuestos orgánicos como el grafeno y compuestos elaborados con nanotubos de carbono, se disminuye los costes de fabricación. Mientras que, por otra parte, la desventaja esta basada en el rendimiento a corto plazo, ya que por ahora el desempeño que tienen estos dispositivos es muy inferior; sin embargo, se espera que con la revolución de la nanotecnología se mejore el desempeño de los dispositivos semiconductores fabricados con compuestos orgánicos.
2. Breve Reseña Histórica de la Electrónica Orgánica
Esta rama de la electrónica nace en 1978, cuando el japonés Hideko Shirakawa en colaboración con Alan Heeger y Alan MacDiarmi de la universidad de Pensilvania, descubren los polímeros conductores y publican su descubrimiento en el articulo "Synthesis of electrically contucting organic polymers: Halogen derivatives of polyacetilene (CH)n", en el diario de la sociedad química, Chemical Comunications. El descubrimiento fue considerado como un gran suceso, tanto que, Shirakawa, MacDiarmi y Heeger fueron galardonados con el premio Nobel de química en el año 2000.
Estos materiales orgánicos conductores, han sido objeto de muchas investigaciones y desarrollos, tanto que en 1985 A. Tsumura, H. Koezuka y T. Ando fabrican el primer dispositivo con esta tecnología, un FET orgánico, y al año siguiente Ching W. Tang y Steven A. Van Slyke de Eastman Kodak fabrican el primero LED orgánico, basado en moléculas orgánicas de bajo peso molecular. La cadena de adelantos continuó con la fabricación del primer LED orgánico polimérico en 1990, por parte de Jeremy Burroughs y sus colegas Richard Friend y Donald Bradley del laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y en 1997 con el lanzamiento al mercado del primer producto con esta tecnología, un display de color verde en un radio de la Pioneer. A partir de esta fecha la industria a desarrollado papel electrónico, baterías orgánicas, OLEDs (LEDs orgánicos), OFETs (FETs orgánicos), monitores, condensadores, chips y un sin número de dispositivos y nuevas aplicaciones basadas en materiales orgánicos. Esta nueva tecnología no reemplazará en el corto y mediano plazo a la tecnología del silicio, debido a que sus velocidades de conmutación no son las apropiadas, pero se espera que en largo plazo, estas velocidades se alcancen y domine una gran variedad de aplicaciones que hoy en día se basan en el silicio, debido a que esta nueva tecnología presenta un costo de manufactura más bajo y en algunas aplicaciones mejor rendimiento.
3. Glosario.
distancia o longitud del enlace: distancia a la cual se logra la mayor estabilidad (menor energía) al formarse un enlace.
distribución Gaussiana: es la distribución de probabilidad que con más frecuencia aparece en estadística y teoría de probabilidades. Se caracteriza por que cuando se realizan medidas experimentales, algunas de ellas son mayores que la media y otras menores, aunque unas y otras se producen en igual cantidad y con la misma probabilidad, y al graficarla da una grafica en forma de campana.
dopado: es el proceso por el cual se introducen portadores de carga en un semiconductor.
dopaje inhomogéneo: Dopaje que se efectúa en forma irregular es decir que no es parejo en todo el material.
DOS: es la densidad de los estados electrónicos, o más bien los niveles de energía disponibles para los electrones.
efecto tunel : mecanismo cuántico mediante el cual una partícula subatómica tiene la posibilidad de alcanzar niveles energéticos poco probables.
electrocromismo: proceso mediante el cual un compuesto cambia de color como consecuencia del dopaje o el dedopaje.
electrodo: conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito por ejemplo un semiconductor, electrolito, etc.
electroforesis: movimiento de partículas cargadas (iones), por acción de un campo eléctrico.
electrolito: sustancia que al disolverse en agua, da lugar a la formación de iones.
electroluminiscencia: es la emisión no térmica de luz de un material sometido a un campo eléctrico externo
electronegatividad: tendencia de un átomos a ganar electrones.
electrones deslocalizados: electrones que no pertenecen a un enlace atómico en especifico, sino que pueden ser compartidos por mas de dos átomos.
electrón voltio (eV): es la energía necesaria para mover un electrón en contra un potencial de un voltio, o es la energía que gana una carga positiva al aplicarle un potencial de un voltio. Es una unidad de energía frecuentemente usada en teoría de semiconductores y tiene un valor de 1.6
10
J.
electroquímica: parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones quimicas y la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa.
emeraldina: compuesto verde usado como pigmento, producido a partir de la anilina azul cuando sobre ella actúa un acido.
energía de disociación: es la energía necesaria para disociar una molécula. Esta energía es igual a la energía de enlace.
enlace π: enlace formado por la atracción entre los orbitales pz sin hibridizar, es un enlace mas débil que el enlace σ.
enlace σ: enlace formado por la atracción entre los orbitales híbridos sp2.
epoxico: formado por la unión de un prepolimero de bajo peso molecular con un compuesto que forma un polímero entrelazado.
espín: propiedad de las partículas fundamentales asimilable a una rotación sobre su propio eje. Esta relacionado con el campo magnético que estas tengan.
estado base degenerado: cuando los enlaces simples y dobles se pueden intercambiar sin cambiar la energía de su estado base.
estado base no degenerado: cuando el intercambio de los enlaces es asociado con dos estados de energía diferentes.
estado fundamental: estado energético en el cual un átomo o molécula presenta mayor estabilidad.
estado excitado: estado energético de mayor energía que el fundamental al cual son promovidos los electrones de un átomo o molécula al ser excitados térmica, óptica ó eléctricamente.
estados vibracionales : estados de energía relacionados con la vibración de los núcleos de los átomos.
etilendioxi: radical -O-CH2 -CH2 -O-
etileno: conocido también como eteno, el cual es un compuesto químico formado por átomos de carbono enlazados mediante un doble enlace (CH2=CH2).
excitón: cuasi partícula creada al excitarse una molécula, donde se forma un par electrón-hueco acoplado electrostaticamente.
excitón de Frenkel: Los excitones de Frenkel corresponden a un par electrón-hueco localizado sobre una molécula orgánica simple y su radio es comparable al tamaño de la molécula, típicamente inferior a 5Å?.
excitón de Wannier-Mott: Los excitones de Wannier-Mott son típicos en semiconductores inorgánicos, en donde la energía de ligadura coulúmbica es mas débil, comparada a los excitones de Frenkel y el radio excitonico oscila entre 40-100Å?, dependiendo del tamaño de la red cristalina.
factor de llenado: determina la forma de la característica I-V, de las celdas solares. Un buen factor de llenado o factor de forma es mayor a 0.7.
FET: transistor de efecto de campo.
fluorescencia: fenómeno físico mediante el cual ciertas substancias absorben energía y la emiten en forma de luz u otro tipo de radiación electromagnética. A diferencia de la fosforescencia, dura solo mientras permanece el estimulo que la provoca.
fonón: cuasi partícula sin carga que se caracteriza por las vibraciones de la retícula y que porta gran cantidad de momento.
fotoconductividad: proceso mediante el cual un material conduce energía mediante la estimulación óptica.
fotofísica: fotoexcitación y transiciones radiantes de una molécula, pero sin cambios químicos.
fotón: una de las partículas fundamentales de la materia, encargada de transmitir la fuerza electromagnética.
fotoquímica: se encarga de estudiar las reacciones químicas que se producen por la acción de la luz.
fuerza de Van der Waals o London: es una fuerza intermolecular debida a la atracción entre dipolos temporalmente inducidos en moléculas no polares.
función de trabajo: representa la energía mínima necesaria para poder retirar un electrón o foton de un metal y tiene un valor particular para cada material.
funciones de onda simétricos: esto se refiere a que los electrones tiene funciones de onda que son como las imágenes reflejadas en un espejo, las cuales se refuerzan y fortalecen el enlace.
funciones de espin anti-simétrico: esto se tiene que dar para que se cumpla el principio de exclusión de Pauli, y significa que los espines de los electrones deben de ser antiparalelos.
gap: brecha energética entre la banda de valencia y la banda de conducción, o entre el HOMO y el LUMO en semiconductores orgánicos.
grupos aryl : radicales que contienen compuestos aromáticos.
grupos alkoxy: se denomina así la unión de un grupo alkyl con oxigeno.
grupos carbonil: esta formado por la unión de un átomo de carbono doblemente enlazado con oxigeno.
grupos hidroxyl: radical -OH
grupos imidas: conformado por un átomo de carbono doblemente enlazado con oxigeno y enlazado con un átomo de nitrogeno.
grupos funcionales : son estructuras submoleculares, caracterizadas por una conectividad y composición específica elemental, que le confiere reactividad a la molécula que los contiene.
grupos pendientes: pequeñas cadenas de átomos enlazadas a la cadena principal del polímero.Estos grupos son cadenas mucho mas cortas que la cadena principal.
hexamero: compuesto que contiene 6 monómeros.
hibridación: es el proceso de combinar orbítales atómicos de un átomo con el fin de producir igual numero de orbítales mezclados, pero de características diferentes a los originales
hibridación sp2: Se da en todos los compuestos donde el carbono posea enlaces dobles. Es el resultado de la mezcla de dos orbitales p y uno s.
HOMO: es el orbital molecular π con más alta energía, que se encuentra ocupado y desde donde pueden trasladarse electrones al LUMO.
Hopping: proceso mediante el cual se trasladan portadores de carga desde un sitio de menor energía a uno de mayor energía mediante efecto túnel.
Iones: átomos o grupos de átomos cargados eléctricamente.
isómero: compuestos diferentes, pero con la misma formula molecular.
isomero cis: isomero con sustituyentes idénticos en el mismo lado del doble enlace.
Isomero trans: isomero con sustituyentes idénticos en diferentes lados del doble enlace.
ITO: compuesto de oxido de estaño e indio que se usa como electrodo inyector de huecos y tiene la característica de ser transparente.
LED: diodo emisor de luz con semiconductor de material inorgánico como el arseniuro de galio, germanio, etc.
longitud de equilibrio: longitud de un enlace en el estado base o fundamental.
Luminiscencia: la luminiscencia se define como la desexcitación de un átomo o molécula, mediante la emisión de fotones
LUMO: es el orbital molecular π* con energía mas baja que se encuentra desocupado, al que pueden acceder electrones excitados desde el HOMO.
Mascara: placa fotográfica de cristal, utilizada para imprimir un patrón en el material fotorresistivo.
metallophthalocyanine: material semiconductor orgánico, utilizado en la fabricación de dispositivos electrónicos.
metal uni-dimensional: metal que solo conduce la corriente en una dirección.
momento angular neto: este es el momento que tienen los electrones debido a girar alrededor del núcleo.
momento angular de espín: es el momento que se le atribuye a un electrón por presentar fenómenos, con los cuales se puede hacer una analogía a como si el electrón girara en su propio eje.
monómero: unidad repetitiva en un polímero.
naftaleno: hidrocarburo aromático, que forma cristales semiconductores.
nanoalambres: alambres de tamaño nanométrico.
nanomateriales: materiales que tienen tamaños en el orden de los nanómetros. Por ende son materiales moleculares.
nodo: parte del orbital donde la probabilidad de encontrar un electrón es cero.
OLED: LED en donde el material semiconductor es un material orgánico.
Oligómeros: polímeros pequeños hasta con 20 unidades monoméricas.
olígotiofenos: polímero con pocos monómeros tiofeno y utilizado en la fabricación de OLED.
orbital atómico: es el lugar espacial con mayor probabilidad de localización de un electrón alrededor del núcleo de un átomo.
orbital molecular: es un orbital que se forma cuando los orbitales atómicos se traslapan, formando un orbital que pertenece a toda la molécula y no solo a un átomo individual
Oxidación: proceso en el cual se retiran electrones de un átomo o molécula.
PEDOT: poly(3,4-etilendioxytiofeno). Compuesto que muestra muy buenas propiedades electroquímicas.
Pentaceno: hidrocarburo aromático, que forma cristales semiconductores.
Phthalocyanine: material semiconductor orgánico utilizado en sensores, equipos ópticos reescribibles, etc.
plano nodal: plano que divide un volúmen, donde la probabilidad de encontrar un electrón es cero.
PLED: es un LED en donde el semiconductor es un polímero orgánico.
polarón: es uno de los portadores de carga libre en algunos semiconductores orgánicos. Es formado por la retirada o adición de un electrón a una molécula orgánica. En medio del catión o anión y el radical que se forman se crea un cambio en la estructura del polímero, el cual es característico de esta cuasi-partícula.
polarón negativo: polarón que fue formado por reducción.
polarón positivo: polarón que fue formado por oxidación.
Poliacetileno: uno de los primeros materiales semiconductores orgánicos descubiertos ((-C
C-)n).
Polianilinas: semiconductor orgánico, de amplio uso.
polieno: compuesto que tiene varios enlaces dobles.
polifluorenos: material polimérico utilizado en OLEDs.
Polímeros: Los polímeros son compuestos formados por la unión de más de 20 unidades moleculares carbonadas idénticas, que reciben el nombre de monómeros y pueden llegar a contener cientos o incluso miles de monómeros, constituyendo moléculas gigantes o macromoléculas.
polipirrole: polímero semiconductor orgánico, utilizado en dispositivos electrónicos.
politiofenos: material semiconductor orgánico utilizado en OLEDs, OFETs, etc.
PPP: Poly(para-phenilene), semiconductor orgánico utilizado en PLEDs.
PPV: poly(para-phenylene vinylene), semiconductor orgánico utilizado en PLEDs.
principio de Aufbau: este principio dice que un electrón siempre va al orbital de menos energía disponible.
principio de exclusión de Pauli: dice que no mas de 2 electrones pueden ocupar un orbital y los dos electrones deben tener espines opuestos.
principio de Frank-Condon : dice que las transiciones electrónicas son mucho mas rápidas que las transiciones del núcleo, es decir que los electrones excitados efectúan sus movimientos mucho mas rápido de lo que le toma al núcleo reacomodarse.
principio de incertidumbre de Heisenberg: dice que la ubicación y el momento de una partícula son dos parámetros que no pueden ser simultáneamente determinados.
promoción electrónica: es el resultado de la aplicación de la regla de máxima multiplicidad de Hund, la cual dice que en los orbitales atómicos, la mayor estabilidad se logra cuando los espines electrónicos se encuentran desapareados.
PSS: poly(styrene sulphonic), compuesto utilizado para mejorar las características electrónicas del PEDOT.
PVK: poly (vinyl Karbazole), semiconductor orgánico utilizado en dispositivos electrónicos orgánicos.
Radiativo: que radia o emite luz.
radical: átomo o molécula con un electrón desapareado.
Redox: abreviación del proceso de oxido-reducción.
Reducción: proceso mediante el cual se adicionan electrones a un átomo o molécula.
resonancia: nombre que se da a procesos de deslocalización electrónica.
semiconductor : un semiconductor es un caso intermedio entre un metal y un aislante. En este la banda de conducción esta vacía como en un aislante, sin embargo, la banda de gap es menor y permite que sean promovidos electrones mediante excitaciones ópticas o térmicas.
semiconductor orgánico: compuesto conjugado de átomos de carbono enlazados con oxigeno, hidrógeno, nitrógeno y otros pocos elementos, que gracias a la conjugación adquiere características semiconductoras.
semiconductores orgánicos híbridos: semiconductores orgánicos formados por la unión tanto de polímeros orgánicos semiconductores como de monómeros u oligómeros semiconductores orgánicos.
sitios: se denominan así moléculas individuales, o segmentos de un polímero en donde ocurre un fenómeno en específico.
solitones: son cuasi-partículas que transportan energía en polímeros con estado base degenerado. Se forman mediante la oxidación (reducción) de un polímero con estado base degenerado oxidado (reducido). Se caracteriza por cambiar la configuración de la cadena sin cambiar de energía y sus cargas no están enlazadas.
Singlete: se denomina así cuando un electrón excitado adopta un espin igual al que tenia en el estado base.
SMOLED: LED en donde el material semiconductor esta hecho de pequeñas moléculas (monómeros u oligómeros) orgánicas.
espin coating: técnica preferida en la aplicación de películas delgadas uniformes para dispositivos electrónicos. Consiste en depositar sobre el centro del sustrato una cantidad suficiente de polímero en solución y luego se hace girar a gran velocidad el sustrato para esparcir el polímero gracias a la fuerza centrifuga.
técnicas de percolación: es una técnica que utiliza la teoría de la percolación, la cual representa uno de los modelos mas simples para manejar sistemas desordenados.
Thiazole: semiconductor orgánico utilizado en la fabricación de dispositivos electrónicos.
thiophene: tiofeno.
tiofeno: semiconductor orgánico utilizado en la fabricación de dispositivos electrónicos.
tipo n: material que posee exceso de electrones.
tipo p: material que posee exceso de huecos.
trampas o estado de trampas : son impurezas químicas (dopantes) o defectos estructurales que generan nuevos estados energéticos, en los cuales los portadores de carga son atrapados por periodos de tiempo
triplete: se denomina así cuando un electrón excitado queda con un espin antiparalelo al que tenia en el estado base.
Fuente: Monografías.com
