O que são semicondutores orgânicos? Materiais, dispositivos e aplicações.

1. O que são semicondutores orgânicos?

Os semicondutores orgânicos são materiais eletrónicos à base de carbono, produzidos a partir de polímeros conjugados e pequenas moléculas. São utilizados na construção de dispositivos eletrónicos orgânicos, como células solares orgânicas, OLEDs e transístores de efeito de campo orgânicos. Ao contrário dos semicondutores inorgânicos cristalinos, como o silício ou os compostos III-V, os semicondutores orgânicos são, geralmente, sistemas moleculares com uma estrutura e energia desorganizadas, em vez de sólidos periódicos (ver ??).

Isto significa que os semicondutores orgânicos não devem ser considerados como versões de baixo desempenho do silício. São uma classe diferente de semicondutor. O seu comportamento eletrónico é controlado por estados moleculares localizados, desordem energética, ocupação de armadilhas, formação de éxcitons e morfologia em nanoescala. Estas características tornam a eletrónica orgânica tecnologicamente atrativa, mas também fazem com que a modelação de dispositivos semicondutores orgânicos seja fisicamente distinta da simulação de semicondutores cristalinos convencionais.

2. Em que se distinguem os semicondutores orgânicos dos semicondutores inorgânicos?

Nos semicondutores cristalinos, os átomos estão dispostos numa rede periódica e os portadores de carga podem, frequentemente, ser descritos através de estados de banda estendidos. Isto dá origem a bandas de condução e de valência relativamente bem definidas, como se pode observar em ??. Nos semicondutores orgânicos, o empacotamento molecular é menos ordenado e o ambiente eletrónico local varia de um ponto para o outro. O resultado é uma distribuição ampla de estados localizados, em vez de uma fronteira de banda nítida (??).

O transporte de carga em materiais orgânicos é, portanto, frequentemente descrito como um processo de salto ativado termicamente entre estados localizados, em vez de um transporte do tipo «banda» através de estados estendidos. Os portadores de carga podem ficar retidos em estados de baixa energia, sendo libertados posteriormente por ativação térmica e, em seguida, capturados noutro local. Isto faz com que a mobilidade aparente dependa fortemente da temperatura, da densidade de portadores, do campo elétrico, da desordem energética e da ocupação das armadilhas.

Outra diferença importante reside na física dos excitões. Em muitos materiais optoeletrónicos orgânicos, a absorção de luz produz pares de eletrões e lacunas ligados, denominados excitões, em vez de gerar imediatamente portadores de carga livres. A capacidade de um fotão absorvido gerar uma corrente elétrica útil depende da difusão, dissociação e recombinação dos excitões, bem como do arranjo em nanoescala dos materiais doadores e aceitadores.

3. Materiais semicondutores orgânicos: polímeros e moléculas pequenas.

Os materiais semicondutores orgânicos são geralmente divididos em duas classes principais: polímeros conjugados e moléculas pequenas. Os polímeros consistem em longas cadeias moleculares com sistemas de eletrões deslocalizados \(\pi\) ao longo da sua estrutura principal, enquanto as moléculas pequenas são compostos de menor peso molecular, concebidos para apresentarem energias de orbitais de fronteira, espectros de absorção e comportamento de empacotamento adequados.

A vantagem desta flexibilidade química é que a banda de energia ótica, os níveis de energia, a solubilidade, a cristalinidade e a morfologia podem ser ajustados através do design molecular. Esta é uma das razões pelas quais os materiais orgânicos são atrativos para aplicações em fotovoltaica, emissão de luz, sensores e eletrónica flexível. A desvantagem é que o comportamento do dispositivo pode ser extremamente sensível às condições de processamento, à separação de fases, à orientação molecular e à estrutura interfacial.

4. Dispositivos eletrónicos orgânicos

Os semicondutores orgânicos são utilizados em várias classes importantes de dispositivos eletrónicos e optoeletrónicos orgânicos. Em cada caso, o comportamento do dispositivo é determinado não apenas pelas propriedades eletrónicas do material, mas também pela absorção ótica, morfologia, interfaces, contactos e recombinação.

• Fotovoltaicos orgânicos (FVO) converter a luz absorvida em corrente elétrica. Geralmente, utilizam heterojunções doador-aceitador para separar os excitões em portadores de carga livres. Consulte o tutorial sobre simulação de células solares orgânicas para um exemplo prático do OghmaNano.
• Os diodos orgânicos emissores de luz (OLED) injetam eletrões e lacunas em camadas orgânicas, onde se recombinam para formar estados excitados que emitem luz. A interferência ótica, a posição da zona de recombinação e o acoplamento de saída podem afetar significativamente a emissão final. Consulte o Tutorial sobre ótica coerente de filmes finos OLED.
• Transistores de efeito de campo orgânicos (TEFOs) utilize um campo de porta para acumular carga numa interface de um semicondutor orgânico. A sua saída é controlada pela injeção de contacto, mobilidade, desordem interfacial e transporte limitado por armadilhas. Consulte o Tutorial sobre simulação de OFET..

5. Por que a modelagem de semicondutores orgânicos é diferente.

A simulação de semicondutores orgânicos deve considerar explicitamente a desordem e os estados de armadilhamento. Um modelo simples de deriva-difusão com mobilidade constante e recombinação banda-a-banda é frequentemente insuficiente, pois a densidade de portadores, a mobilidade, a recombinação e o campo elétrico interno estão interligados através da densidade de estados e da ocupação dos estados de armadilhamento.

Por exemplo, alterar a intensidade da iluminação ou a tensão aplicada modifica o preenchimento das armadilhas. A modificação do preenchimento das armadilhas altera a densidade de portadores livres. A alteração da densidade de portadores livres modifica a recombinação e a condutividade. A alteração resultante na distribuição de carga modifica, então, o campo elétrico interno e a extração. Este ciclo de retroalimentação é uma das razões pelas quais os modelos de dispositivos orgânicos devem incluir a física dos estados de armadilha.

A recombinação é, frequentemente, um processo que envolve a captura de portadores de carga e é geralmente descrita utilizando Recombinação de Shockley–Read–HallEm semicondutores orgânicos desordenados, os modelos do tipo SRH não são apenas uma correção menor: são frequentemente essenciais para descrever a captura, emissão e recombinação de portadores de carga através de estados localizados. É por isso que a simulação de dispositivos orgânicos é melhor compreendida como um processo acoplado de transporte, aprisionamento, recombinação e eletrostática, em vez de uma simples análise do fluxo de corrente.

6. Vantagens dos semicondutores orgânicos

Os semicondutores orgânicos são atrativos porque podem ser processados de formas que são difíceis ou dispendiosas para os semicondutores inorgânicos convencionais. Muitos materiais orgânicos podem ser depositados a baixa temperatura, processados a partir de soluções, impressos em grandes áreas e integrados em substratos leves ou flexíveis.

Essas propriedades tornam-nos interessantes para aplicações em que a flexibilidade mecânica, a fabricação a baixa temperatura, o revestimento em grandes áreas ou a capacidade de ajuste espectral são mais importantes do que a obtenção da mais alta mobilidade de portadores possível. Os ecrãs OLED são o exemplo comercial mais evidente, mas os semicondutores orgânicos continuam a ser importantes para a fotovoltaica, os fotodetetores, os sensores, os dispositivos vestíveis e a eletrónica de baixo custo.

7. Limitações e desafios

O mesmo mecanismo que permite o processamento flexível também gera limitações. Os semicondutores orgânicos geralmente apresentam menor mobilidade do que os materiais inorgânicos cristalinos, efeitos de aprisionamento mais intensos e maior sensibilidade à morfologia. A estabilidade também pode ser um problema significativo, especialmente em ambientes com oxigénio, humidade, calor, alta densidade de corrente ou exposição prolongada à luz.

As interfaces são particularmente importantes. A seletividade de contato, as barreiras de injeção, as armadilhas na interface e a morfologia próximas aos eletrodos podem influenciar significativamente o comportamento do dispositivo. É por isso que o desempenho medido de um dispositivo orgânico nem sempre é uma propriedade exclusiva do material ativo, mas sim do conjunto completo do dispositivo, do histórico de processamento e das condições de medição.

8. Em que áreas os semicondutores orgânicos poderão se destacar.

É improvável que os semicondutores orgânicos substituam o silício cristalino em todas as aplicações. O silício continua a ser o material predominante nas áreas onde a alta mobilidade, a estabilidade a longo prazo e a produção em larga escala são fatores decisivos. Os materiais orgânicos têm mais probabilidade de se destacar nas aplicações onde as suas propriedades específicas são importantes: flexibilidade mecânica, processamento a baixa temperatura, dispositivos leves, absorção ou emissão ajustáveis e compatibilidade com a produção em grande escala.

Os ecrãs OLED demonstram que os semicondutores orgânicos podem ser a solução ideal quando a física do dispositivo, a engenharia de materiais e o processo de fabrico estão bem coordenados. As oportunidades futuras incluem a fotovoltaica flexível, a recolha de energia em ambientes interiores, os fotodetetores orgânicos, os sensores biomédicos, a eletrónica vestível e os sistemas híbridos, nos quais os materiais orgânicos são integrados com tecnologias inorgânicas ou de perovskite.

9. Simulação de semicondutores orgânicos no OghmaNano

O OghmaNano foi concebido para simular dispositivos semicondutores orgânicos como sistemas acoplados, abrangendo aspetos óticos, elétricos e morfológicos. Inclui modelos de transporte por deriva e difusão, distribuições de estados de armadilha, recombinação SRH e em não equilíbrio, dinâmica de excitões, geração ótica e caracterização no domínio da frequência, tudo num único fluxo de trabalho.

Para uma visão geral prática dos tutoriais disponíveis, consulte simulação de dispositivos semicondutores orgânicos. Essa página contém links para exemplos relacionados a OPV, OLED, OFET, SCLC, éxcitons, heterojunções em massa e exemplos no domínio da frequência.