Organic Electronics
Organic Electronics
A eletrônica orgânica tem progredido rapidamente nos últimos anos com dispositivos como os OLEDs entrando no mercado e a realização de protótipos eficientes de OFETs, células solares e sensores. Displays para smartphones, fontes de luz coloridas, células solares portáteis e telas de televisão curvadas são apenas alguns exemplos da crescente presença da eletrônica orgânica nos dias atuais. Embora as moléculas e polímeros semicondutores orgânicos não possam ainda competir com os semicondutores inorgânicos em termos de transporte de cargas e desenvolvimento industrial, eles oferecem excelentes vantagens tecnológicas quando comparados aos semicondutores tradicionais: flexibilidade mecânica, baixo peso, grandes áreas ativas e baixo custo de produção. Além disso, o interesse nos semicondutores orgânicos é impulsionado pela premissa de facilidade de processamento através de métodos como impressão ou deposição por solução/evaporação, versatilidade dos processos de síntese e compatibilidade com uma vasta gama de substratos tais como os vidros transparentes e os materiais poliméricos flexíveis [1-3].
Grandes avanços na área da eletrônica orgânica têm sido relacionados ao aumento contínuo na mobilidade de carga dos semicondutores orgânicos, a qual já atingiu valores que ultrapassam a do silício amorfo (aproximadamente 1 cm2 .V-1. s-1), atualmente empregado na indústria [2]. Embora estes valores de mobilidade já sejam aceitáveis para muitas das aplicações pretendidas, o uso de moléculas orgânicas na fabricação dos dispositivos ainda apresenta limitações, em sua maioria derivadas de problemas de estabilidade, os quais estão sendo superados pela busca e concepção de novos materiais e também por melhorias relacionadas à arquitetura dos dispositivos.
Dentro deste cenário, considera-se que o futuro da eletrônica baseada em semicondutores orgânicos não é mais de substituir a eletrônica inorgânica fortemente baseada no silício, como pensava-se no passado, e sim ocupar os nichos em que os inorgânicos não podem atuar. Por exemplo, o desenvolvimento de telas (displays) e sistemas de iluminação (lâmpadas) muito finos, flexíveis e transparentes, permitindo a projeção de novos designs. No caso das lâmpadas será ainda uma mudança de conceito, de fonte de luz pontual para fontes de grandes áreas superficiais, pois será possível obter superfícies emissoras com diversas formas, tamanhos e flexíveis, podendo inclusive ser transparentes quando desligadas. No campo de dispositivos fotovoltaicos produzidos por processos em grande escala, como “roll-to-roll”, a leveza e flexibilidade permitirá a aplicação destes dispositivos em bonés, mochilas, guarda-sóis, tetos de pontos de ônibus, etc… e a partir daí obter energia para carregar dispositivos eletrônicos portáteis.
Referências:
[1] A. Facchetti, Nature Materials 12, 598-600 (2013).
[2] C. Ruiz , E. M. García-Frutos, G. Hennrich, B. Gómez-Lor, J. Phys. Chem. Lett. 3, 1428-1436 (2012).
[3] S. Sergeyev, W. Pisula, Y. H. Geerts, Chem. Soc. Rev. 36, 1902-1929 (2007).
Materiais Orgânicos Luminescentes
Em 1987 dois pesquisadores da empresa Eastman Kodak anunciaram a obtenção de propriedades eletroluminescentes de materiais orgânicos [1]. Estes dispositivos foram chamados OLEDs (Organic Light Emitting Diodes). Uma das vantagens em relação aos diodos tradicionais feitos de semicondutores inorgânicos, é que essas moléculas podem ser aplicadas diretamente sobre a superfície da tela, barateando o custo de produção. Além disso, uma das principais características destes dispositivos é que eles não necessitam de luz externa (backlight ou sidelight) e ocupam menos espaço, dois fatores que tornam a tecnologia muito interessante para uso em computadores portáteis e celulares. Em 1990 a equipe do Prof. Richard Friend, da Universidade de Cambridge, Inglaterra, anunciou a fabricação de um PLED (Polymeric Light Emitting Diode) usando poli(para-fenilenovinileno) como camada emissiva, consolidando os polímeros condutores como materiais ativos em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos [2].
A primeira linhagem de dispositivos orgânicos utilizava pequenas moléculas emissoras de luz, as quais eram depositadas sob vácuo sobre as telas, encarecendo os custos de produção e limitando o substrato a ser utilizado para a deposição. A segunda linhagem utiliza polímeros condutores emissores de luz, sendo que estes materiais podem ser aplicados sobre o substrato usando métodos de impressão, sem necessidade de vácuo e possibilitando, inclusive, a obtenção de dispositivos flexíveis, com um custo bastante inferior. Depois disso, foi desenvolvida uma terceira tecnologia que consiste da dopagem de polímeros condutores com moléculas emissoras de luz. Neste caso, a matriz polimérica serve apenas pelas suas propriedades mecânicas e vantagens de produção sem necessitar das propriedades luminescentes.
Recentemente, tem-se estudado materiais funcionais com propriedades de auto-organização, com a finalidade de aplicá-los em dispositivos eletroluminescentes [3,4]. Estes materiais podem ser obtidos pela incorporação de algumas propriedades adicionais a um cristal líquido (além da sua propriedade de auto-organização), tal como a luminescência. A propriedade de auto-organização do meio líquido-cristalino sugere ser este um veículo ideal para a exploração e o controle da matéria molecular na escala nanométrica e micrométrica, que é a chave para o crescente desenvolvimento da nanotecnologia [5].
As propriedades de transporte de carga em materiais orgânicos dependem fortemente das interações intermoleculares e interfaciais, bem como do grau de ordenamento molecular, estrutural e químico. Assim, os cristais líquidos luminescentes são de particular interesse para serem aplicados em LEDs, pois apresentam algumas vantagens em relação aos polímeros e pequenas moléculas. Materiais que formam mesofases discóticas colunares têm sido estudados como excelentes transportadores de carga, apresentando valores de mobilidade maiores que qualquer outro material orgânico, resultado da ótima superposição dos orbitais moleculares dentro do empacotamento colunar [6,7]. Existem ainda relatos na literatura de fases esméticas e nemáticas ordenadas que apresentam eletroluminescência linearmente polarizada [8-10]. É importante lembrar que o ordenamento das fases líquido cristalinas pode ser obtido por meio de tratamentos de superfície, que inclusive também são essenciais para o bom desempenho de LCDs [11].
As propriedades luminescentes de um material podem ser modificadas pela inserção deste em uma estrutura fotônica. Cristais fotônicos são estruturas que apresentam uma variação periódica da constante dielétrica da ordem do comprimento de onda do visível. Um dos métodos mais simples e versáteis de se criar uma estrutura fotônica consiste em utilizar moldes de cristais coloidais, formados pelo auto-ordenamento de nanoesferas monodispersas. Nessa técnica, uma solução coloidal de nanoesferas (que podem ser de sílica, poliestireno ou polimetilmetacrilato), é cristalizada, por sedimentação gravitométrica, spin-coating ou evaporação convectiva, num arranjo fcc (em geral). A seguir, os interstícios do cristal coloidal são preenchidos com o material desejado, por eletrodeposição ou reação química de fase líquida. As nanoesferas são então removidas, por dissolução química ou calcinação, resultando numa estrutura porosa ordenada [12].
Referências:
[1] C.W. Tang and S.A. Van Slyke, Appl. Phys. Let. 51, 913 (1987).
[2] H. Burroughes, D.D.C. Bradley, A.R. Brown, R.N. Marks, K. Mackay, R.H. Friend, P.L. Burns, and A. B. Holmes, Nature 347, 539 (1990).
[3] J.M. Lehn, Science 295, 2400 (2002).
[4] J.E. Elemans, A.E. Rowan, and R.J.M. Nolte, J. Mater. Chem. 13, 2661 (2003).
[5] I.M. Saez and J.W. Goodby, J. Mater. Chem. 15, 26 (2005).
[6] M. Schadt, Liq. Cryst. 14, 73 (1993).
[7] D. Adam, P. Schuhmacher, J. Simmerer, L. Haussling, K. Siemensmeyer, K.H. Etzbach, H. Ringsdorf, and D. Haarer, Nature 371, 141 (1994).
[8] H. Tokuhisa, M. Era, and T. Tsutsui, Appl. Phys. Lett. 72, 2639 (1998).
[9] K. Kogo, T Goda, M. Funahashi, and J. Hanna, Appl. Phys. Lett. 73, 1595 (1998).
[10] M. Millaruelo, L. Oriol, M. Piñol, P.L. Sáez, and J.L. Serrano, J. Photochemistry and Photobiology A 155, 29 (2003).
[11] J. Cognard, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 78, 1 (1982).
[12] J. E. G. J. Wijnhoven, W. L. Vos, Science 281, 802 (1998).
