Semiconductores Orgánicos

Los materiales orgánicos se caracterizan por estar constituidos por un esqueleto de átomos de carbono (C), con enlaces simples, dobles y triples. Cuando en los compuestos el esqueleto de C está formado por muchas unidades moleculares o monómeros de simples y dobles enlaces alternados, se denominan polímero conjugado, entre éstos se encuentran los semiconductores orgánicos.

En los semiconductores orgánicos los orbitales electrónicos de cada átomo tienden a solaparse y dan lugar a la formación de bandas de energía. Sin embargo, en contraste con los semiconductores inorgánicos, como el silicio (Si), el arseniuro de galio (GaAs), el telururo de cadmio (CdTe) y otros, los semiconductores orgánicos se estructuran por enlaces intermoleculares demasiado débiles para formar redes cristalinas tridimensionales, lo que ocasiona que las bandas de energía formadas sean estrechas.

Los semiconductores orgánicos pueden dividirse en dos grandes grupos según su estructura química: polímeros, formados por cadenas de monómeros, y oligómeros, formados por una o pocas moléculas. La obtención de capas delgadas de dichos semiconductores es diferente según estemos tratando con polímeros o con moléculas pequeñas.

Para los polímeros el proceso usual de deposito es a partir de la técnica conocida como spin-coating. El proceso consiste en obtener una disolución del polímero en un disolvente orgánico que se vierte en una pequeña cantidad sobre el sustrato que se utiliza. Posteriormente se hace rotar el sustrato a gran velocidad, por encima de 1000 revoluciones por minuto, distribuyéndose el liquido sobre su superficie. Al evaporarse el disolvente se obtienen capas delgadas bastante uniformes del polímero semiconductor con grosores de centenares de nanómetros.

Por el contrario, para oligómeros, los semiconductores se depositan mediante evaporación térmica en cámaras de vacío.

Con ambas tecnologías es posible obtener dispositivos con notables propiedades eléctricas como la conductividad eléctrica por los electrones y los huecos, y la presencia de una banda prohibida.

Las principales bandas u orbitales moleculares se denominan HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital, en español: orbital molecular ocupado de más energía), el de menor energía que es donde se encuentran los electrones π (pertenecientes a los enlaces π: enlaces químicos covalentes donde dos lóbulos de un orbital involucrado en el enlace solapan con dos lóbulos del otro orbital involucrado)no excitados, y LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital: orbital molecular no ocupado de más baja energía), el de mayor energía que es a donde saltarían los electrones al excitarse y que se denominan π. Estos electrones π, que están débilmente enlazados, forman una nube de electrones cuasi-libres y son los responsables de las interesantes transiciones ópticas y electrónicas en los semiconductores orgánicos.

La diferencia de energía entre el HOMO y LUMO se denomina hueco HOMO-LUMO (del inglés HOMO-LUMO gap). El HOMO es a los semiconductores orgánicos lo que la banda de valencia es a los semiconductores inorgánicos. La misma analogía existe entre el LUMO y la banda de conducción. La diferencia de energía entre el HOMO y LUMO es la energía de la banda prohibida (Eg).

La conductividad eléctrica en un semiconductor orgánico está asegurada por los portadores de carga, de los que conocemos bien dos tipos: los electrones (los electrones π), y los huecos (los electrones π no pareados).

En general, los sólidos orgánicos son aislantes. Sin embargo, en los cristales formados por moléculas orgánicas que contienen uniones conjugadas π, o incluso los polímeros que contengan uniones conjugadas π, los electrones pueden moverse libremente en los recubrimientos de nubes de electrones π, lo que permite la conducción de electricidad. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (compuesto orgánico cíclico conjugado que posee una mayor estabilidad debido a la deslocalización electrónica en enlaces π) son ejemplos de este tipo de semiconductores. Sin embargo, los polímeros conductores tienen una elevada resistencia frente a los conductores inorgánicos. Se pueden dopar los materiales orgánicos con metales para aumentar su conductividad.

Los semiconductores orgánicos pueden ser también de tipo p (donantes de electrones) O de tipo n (receptores de electrones).

Algunos semiconductores de tipo p:

• Tetraceno: también conocido como naftaceno o 2,3-benzantraceno, es un hidrocarburo aromático policíclico. Tiene el aspecto de un polvo de color naranja claro.

• Antraceno: hidrocarburo aromático policíclico. A temperatura ambiente se trata de un sólido incoloro que sublima (cambio de estado de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido) fácilmente, pero muestra una coloración azul fluorescente cuando se somete la radiación ultravioleta.

• Politiofeno (PT): familia de polímeros (macromoléculas) resultado de la reacción de polimerización del tiofeno, un heterociclo sulfurado, que puede llegar a ser conductor cuando se le agregan o se le quitan electrones de los orbitales p conjugados por dopaje. muestran propiedades ópticas debido a su estructura conjugada, como la fluorescencia de una solución de politiofeno sustituido bajo irradiación UV.

Algunos semiconductores de tipo n:

• Fullereno: O Fulereno, es la tercera forma molecular más estable del carbono, tras el grafito y el diamante. Su gap de energía entre el orbital

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