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Investigan en el IF los semiconductores orgánicos, el futuro de la electrónica

Arturo López
20/ene/2020

Un equipo de investigadores en el que participó la investigadora del IF Margarita Rivera Hernández desarrolló pruebas en un nuevo compuesto orgánico y demostró que este podría funcionar como semiconductor, una clase de compuestos invaluables para la electrónica y la computación.

El material se conoce como IDT-DPA y, al funcionar como semiconductor, los investigadores buscan reducir costos de producción y mejorar la calidad de los aparatos electrónicos.

La importancia de los semiconductores radica, en buena medida, en sus características tan específicas de conducción de electrones.

La síntesis del nuevo compuesto fue reportado en un artículo en el que participaron los investigadores Violeta Álvarez Venicio, Rafael O. Arcos Ramos, José Alfonso Hernández-Rojas, Vladimir A. Basiuk, Jaime Octavio Guerra-Pulido y María del Pilar Carreón-Castro, todos del Instituto de Ciencias Nucleares.

Luego, fue sometido a una serie de pruebas en el Instituto de Física por Margarita Rivera con el objetivo de conocer sus propiedades morfológicas y, eventualmente, evaluar sus características de conducción de electrones para que, en un futuro, pueda tener utilidad industrial.

El corazón de los materiales electrónicos

Los semiconductores son componentes electrónicos cuya función es actuar tanto como conductor como aislante, es decir, que en su estado natural estos no conducen electricidad. Pero al momento de excitar al sistema, estos son capaces de producir una corriente eléctrica.

Esto es debido a que, a nivel atómico, estos materiales presentan lo que los científicos llaman “brecha de energía”, que separa las bandas de valencia y de conducción de un material. Al excitar un electrón en un material semiconductor, éste pasa de la banda de valencia a la de conducción lo que permite producir una corriente eléctrica.

En los materiales orgánicos semiconductores, las bandas equivalentes a las bandas de valencia y de conducción se conocen como orbitales HOMO y LUMO, respectivamente.

En los elementos conductores, esta brecha de energía es tan corta (y en ocasiones, nula) que es imposible controlar el flujo de carga que pasa sobre ellos. Por el contrario, en los elementos aislantes la brecha que existe es tan larga que por más energía que podamos aplicar a los electrones para que se exciten, estos no pueden saltar a la banda de conducción, y es imposible que fluyan para conducir una corriente eléctrica.

Entonces los elementos semiconductores son aquellos cuya brecha de energía no es tan corta para conducir electrones en su estado natural, pero tampoco tan larga para que estos no puedan fluir si son excitados.

“Estos materiales son imprescindibles para la industria electrónica, ya que es gracias a ellos que un aparato electrónico puede encenderse o apagarse a voluntad”, comenta Margarita Rivera, quien participó en el proyecto desde el Departamento de Materia Condensada en el IFUNAM.

“La ventaja de los semiconductores es que podemos tener un material que está como aislante, pero al momento en que se excita lo volvemos conductor (…) El hecho de prender algo significa que le estamos dando energía a los electrones para que la conduzcan”, comentó Rivera.

Basándonos en su naturaleza, existen dos tipos de semiconductores: los inorgánicos como el silicio, que fue de los primeros elementos en ser utilizados para crear circuitos; y los orgánicos, que están hechos principalmente de carbono, y que se encuentran en diversas formas: desde moléculas pequeñas hasta polímeros de gran tamaño.

Los compuestos orgánicos semiconductores son los más estudiados en la actualidad, ya que por sus propiedades, pueden emplearse como transistores súper delgados, diodos emisores de luz y como celdas fotovoltáicas, entre otros. Además, con los avances en la química orgánica, la elaboración de estos materiales es económica y sencilla de realizar. Entre ellos se encuentra el IDT-DPA.

En el oro, que es un elemento conductor, las bandas de valencia y de conducción se sobreponen, por lo que los electrones fluyen fácilmente. Por otro lado, en el carbón en forma de diamante (C), la brecha de energía es demasiado larga como para que estos “salten” de una banda a la otra.

Pequeñas capas moleculares

Con el objetivo de realizar experimentos con el compuesto IDT-DPA, los investigadores lo arreglaron en pequeñas películas conocidas como monocapas, las cuales son porciones de materia compactada en forma de placas extremadamente delgadas, en las que se propician interacciones físicas que pueden ser estudiadas con mayor facilidad.

Para crear estas monocapas, los investigadores recurrieron a un método conocido como Langmuir Boldgett, el cual consiste en formar arreglos moleculares de material orgánico sobre sustratos sólidos haciendo uso de las características hidrofóbicas e hidrofílicas que presenta.

“Existen moléculas que por sus características químicas presentan una parte hidrofílica y otra hidrofóbica. ¿Qué quiere decir esto? Que a una parte le gusta el agua y la otra no”, comenta Rivera.

En el experimento, que fue realizado en el Instituto de Ciencias Nucleares, los investigadores depositaron sobre una superficie de agua ultra pura una porción de materia con estas características.

Una vez que la parte hidrofílica del material hizo contacto con el agua, un sistema mecánico comprimió la monocapa hasta que la barrera de compresión llegó a un valor óptimo, con lo cual se garantiza la cohesión de las moléculas para su posterior transferencia a sustratos de vidrio.

Los depósitos se realizaron de tal forma que la parte hidrofílica de la molécula quedó en contacto con el sustrato, y este proceso se repitió varias veces hasta formar desde una hasta cinco capas ordenadas.

La parte hidrofílica se sumerge en el agua mientras que la hidrofóbica queda expuesta al aire. El mecanismo de compresión propicia el ordenamiento molecular, con lo que se obtienen arreglos moleculares bastante homogéneos.

Una vez formadas las películas, éstas se llevaron al IF. Ahí, Margarita Rivera realizó una serie de caracterizaciones para comprobar su estructura y propiedades morfológicas.

En el caso del IDT-DPA, la investigadora realizó experimentos de microscopía de fuerza atómica y de microscopía de barrido. “El hecho de cómo está estructurada esa superficie (de la película) te va a decir mucho de qué respuesta va a tener; si es una película muy porosa, muy corrugada, de no muy buena calidad, entonces es muy posible que pierdas conductividad eléctrica y también se disminuya la respuesta óptica”, aseguró la investigadora del IF.

El objetivo final de los científicos fue encontrar la brecha de energía en el nuevo compuesto para identificar si presentaba propiedades semiconductoras, y entender algo conocido como el desplazamiento de Stokes, es decir, la diferencia de posición en longitud de onda entre la absorción y emisión óptica máxima del compuesto para una misma transición electrónica.

El reto está en conocer si es que se pierde energía al excitar los electrones de los orbitales HOMO a LUMO del compuesto. “Tú excitas (los electrones) con cierta longitud de onda, pero cuando se emite la luz a la hora de que decae ese electrón al estado base, lo hace con otra, y entonces parte de la energía se perdió en el arreglo molecular”, comentó la investigadora.

Los resultados

Gracias a esta primera serie de experimentos, los investigadores descubrieron que la brecha de energía entre los orbitales HOMO y LUMO del IDT-DPA teórica era de 1.711 eV, mientras que la experimental fue de 2.45 eV, lo que lo clasificó dentro de los semiconductores orgánicos.

También, una vez realizados los cálculos DFT y después de estudiar la estructura molecular del compuesto, encontraron que el desplazamiento de Stokes en sus orbitales era de 50 nanómetros, lo cual significa, en palabras de Margarita Rivera, “que parte de la energía se perdió en el arreglo molecular (…), esto es, que si la adsorción se da en el azul, ahora a lo mejor te va a emitir en el verde, lo que significa que el sistema disipa parte de la energía en la película orgánica”.

Con el fin de que en el futuro este compuesto tenga una aplicación industrial, los investigadores esperan realizar una segunda serie de experimentos cuyo objetivo será analizar sus propiedades de conductividad eléctrica y, conociendo eso, poder arreglar el IDT-DPA en una serie de monocapas superpuestas y que, combinadas con otros compuestos, puedan servir como arreglos emisores de luz.

“En el caso particular de las moléculas orgánicas, además sirven muy bien para poder estudiar o hacer aplicaciones como sensores químicos o biológicos, entre otros (…) En el Laboratorio de Electrónica Molecular estamos trabajando en el estudio de las propiedades físicas de películas orgánicas semiconductoras, y de ser posible, diseñar o implementar arreglos en forma de transistores orgánicos, celdas fotovoltáicas, sensores químicos y sensores biológicos”, concluyó la investigadora del IF.

*Agradecemos el apoyo de la Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la CDMX para el desarrollo de este contenido, que forma parte del proyecto "Física para Todos desde el Instituto de Física".