Optoelectrónica orgánica: alumbrando el futuro

Por
Augusto A. Iribarren Alfonso
Presente y futuro de tecnologías renovadoras.

El desarrollo de la Electrónica Orgánica ha hecho que los dispositivos basados en materiales orgánicos ganen espacio en la vida cotidiana. Dentro de ella los dispositivos optoelectrónicos, como los emisores de luz y las celdas solares orgánicas, ocupan una posición de avanzada y muestran una perspectiva preponderante. Los dispositivos orgánicos emisores de luz (OLEDs) son los que mayor desarrollo han tenido y muy pronto inundarán nuestra cotidianidad.

Introducción a los orgánicos
Por el descubrimiento, estudio y desarrollo de los polímeros eléctricamente conductores, en el 2000 recibieron el Premio Nobel de Química los profesores Alan J. Heeger, de la Universidad de California en Santa Bárbara, Estados Unidos; Alan G. MacDiarmid, de la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, y Hideki Shirakawa, de la Universidad de Tsukuba, Japón. Estos trabajos sobre materiales poliméricos conductores, que habían comenzado desde la década de los setenta, incentivaron una explosión en el estudio
y búsqueda de nuevos materiales orgánicos, que dieron paso al surgimiento de una nueva rama de la Electrónica denominada Electrónica Orgánica.

Los materiales orgánicos se caracterizan por estar constituidos por un esqueleto de átomos de carbono (C), enlazados con simples, dobles y triples enlaces. Cuando el esqueleto de C está formado por muchas unidades moleculares o monómeros de simples y dobles enlaces alternados, el compuesto se denomina polímero conjugado (Fig. 1),
y entre ellos se encuentran los semiconductores orgánicos, en que 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 en los semiconductores orgánicos las bandas de energía que se forman son estrechas.

Las principales bandas u orbitales moleculares se denominan HOMO (por su siglas en inglés: mayor orbital molecular ocupado por electrones), el de menor energía que es donde se encuentran los electrones π no excitados, y LUMO (por sus siglas en inglés: menor orbital molecular desocupado), 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 delocalizados cuasi-libres y son los responsables de las interesantes transiciones ópticas y electrónicas en los semiconductores orgánicos. Los polímeros conductores en general son más ligeros, más flexibles, menos costosos y relativamente más fáciles de obtener y trabajar que los materiales inorgánicos, además de que sus posibles variantes de compuestos son innumerables y esto los hace altamente deseables en muchas aplicaciones y se incrementan las posibilidades de nuevas aplicaciones.

La Electrónica Orgánica no sólo incluye a los semiconductores orgánicos, sino también a «pequeñas moléculas» (compuestos con peso molecular definido), materiales dieléctricos (no conductores o aislantes) y conductores. Materiales, estructuras y dispositivos con base orgánica ya se utilizan en múltiples aplicaciones (sensores, baterías, transistores, electrónica integrada, etc.). Dentro de este amplio campo se destaca la Optoelectrónica Orgánica, que comprende el estudio de estructuras orgánicas emisoras y detectoras de luz, y se basan en la transformación de electricidad en luz y viceversa. En el primer caso se encuentran los Diodos Orgánicos Emisores de Luz (OLED, por sus siglas en inglés: Organic Light Emitting Diode), y en el segundo las Celdas Solares Orgánicas (OSC, por sus siglas en inglés: Organic Solar Cell). Los OLEDs han tenido amplio desarrollo y éxito y hoy se utilizan ya en la vida cotidiana , mientras que las OSCs, aunque han mostrado grandes avances, aún se encuentran en estudio y desarrollo debido a sus relativamente bajas eficiencias.

Los Diodos Emisores de Luz (LEDs) tradicionales están basados en semi-conductores inorgánicos y son habitua-les en los equipos electrónicos como señalizadores e indicadores alfanumé-ricos. Estos pueden verse como los «bombillitos» indicadores en equipos de música, reproductores de DVD, semáforos digitalizados, radiorrecep-tores, etcétera.
¿Cómo funcionan los OLEDs?

En los OLEDs, que están basados en semiconductores orgánicos, las cargas positivas o huecos que se inyectan a través del ánodo en la capa conductora se recombinan con los electrones que se inyectan a través del cátodo en la capa emisora en que ocurre la emisión de luz (Fig. 3, en la página siguiente). En esta recombinación los electrones que tienen mayor energía pierden su energía al ocupar las posiciones de los huecos con menor energía y esa energía perdida es la que se transforma en fotones, o sea, luz. En ocasiones se utilizan nanoestructuras semiconductoras inorgánicas embebidas dentro del material orgánico, con el objetivo de lograr características luminiscentes específicas.

Con el uso de una capa conductora transparente a la luz emitida, un ánodo transparente que habitualmente es un TCO (por sus siglas en inglés: óxido conductor transparente) y un sustrato de vidrio, también transparente a la luz visible y que actúa como soporte y protección, la luz emergerá por la superficie. Como sustrato también pueden utilizarse materiales orgánicos transparentes en forma de películas que son también mecánicamente resistentes. Si, además, en la capa emisora se hace un arreglo de varios materiales orgánicos adecuados que emiten en diferentes longitudes de onda se logra que un mismo dispositivo pueda emitir diferentes colores, puede obtenerse una combinación de ellos e incluso llegar a «emitir» color blanco

La sustitución de las cadenas laterales del esqueleto polimérico de carbono puede determinar el color de la luz emitida, entre otras propiedades. En la fabricación de los OLEDs se utilizan varias técnicas, pero la más usada, eficiente y barata es la llamada Inkjet Printing (semejante a las impresoras domésticas de chorro de tinta), que permite crear grandes pantallas de OLEDs con un sustrato común a todos.

Las ventajas de los OLEDs respecto a los LEDs tradicionales de semiconductores inorgánicos, provienen de que aquellos son más delgados y flexibles, poseen más rango de colores, brillo y contraste, tienen mayores posibilidades de escalabilidad y consumen menos energía. No obstante, aún presentan desventajas debido a que sus tiempos de vida son menores, los procesos de fabricación aún son caros y son susceptibles de deteriorarse con el agua.
Los OLEDs hoy y mañana

Actualmente ya se comercializan los dispositivos OLEDs. Como pantallas ya tienen un presente, se vislumbran con un futuro relevante, se espera que pronto inunden abrumadoramente la vida cotidiana y sean los dispositivos que registrarán mayor crecimiento en el mundo de la electrónica. Su uso en los equipos móviles hace innecesaria la iluminación de fondo de la pantalla (conocida como backlight), que consume bastante energía y así la carga de las baterías durará más en laptops, teléfonos celulares, cámaras digitales, PDAs y otros. En un futuro nada lejano, cuando sus costos disminuyan, se espera que puedan ser usados en la iluminación residencial y pública.
Por ello es que grandes marcas desarrollan, comercializan y se posicionan en el mercado de los OLEDs.

El desarrollo de los OLEDs logrará que esos avances presentados en muchas películas futuristas de ciencia ficción pronto sean reales y cotidianos y que, por ejemplo, la televisión sea una pantalla tan delgada como un papel, que el techo sea todo lumínico aunque no hayan lámparas y que el periódico sea un dispositivo flexible y hasta enrollable que se actualice a voluntad por la red.

Fuente: http://www.cubasolar.cu/biblioteca/Energia/Energia47/HTML/Articulo11.htm

Clasificación de los semiconductores orgánicos

Los materiales orgánicos, por su naturaleza, pueden formar una infinidad de compuestos de diferentes tamaños, formas y estructuras, y en consecuencia pueden ser clasificados de acuerdo a muchos parámetros, pero en cuanto a los compuestos orgánicos con características conductoras, se clasifican en dos grandes grupos, dependiendo de su peso molecular, que son: moléculas de bajo peso molecular y moléculas de alto peso molecular. Las primeras se refieren a moléculas conjugadas, de un tamaño menor a 20 monomeros, las cuales se conocen como oligomeros, y las segundas abarcan a las moléculas conjugadas de más de 20 monomeros, las cuales se conocen como polímeros. Ambos tipos de compuestos orgánicos se diferencian entre si por su tamaño y propiedades físicas, pero en cuanto a las propiedades eléctricas su comportamiento es muy similar. En este apartado tan solo daremos las características generales de ambos tipos de moléculas, y las más utilizados en la industria, ya que los mecanismos utilizados para transportar portadores de carga y comportarse como semiconductores serán descritos más adelante.

• Oligomeros semiconductores: En el campo de la electrónica orgánica, estas moléculas se caracterizan por estar constituidas por un número no muy grande de átomos, con una estructura de sus enlaces conjugada y por formar cristales de tipo molecular. Esto cristales se diferencian de los cristales de tipo atómico como los formados por el silicio, el germanio o el carbono (diamante), en que los primeros están conformados por la unión de moléculas individuales que intramolecularmente están unidas por fuertes enlaces covalentes, pero que intermolecularmente se unen mediante fuerzas débiles como la de van der Waals, mientras que los cristales de tipo atómico son en su totalidad una sola molécula que está fuertemente unida por enlaces covalentes. Esta diferencia origina que los cristales de tipo atómico generen estructuras de bandas muy bien definidas debido a que este tipo de cristales son muy fuertes y la estructura de sus estados energéticos permanece inalterada, mientras que en los cristales moleculares al estar unidos por atracciones tan débiles, y por poseer un número muy bajo de átomos por molécula, su acople energético es bajo y su estructura energética se altera con mucha facilidad, originando esto que en este tipo de materiales, la estructura de bandas de energía tenga muy poca importancia en la forma como conducen corrientes eléctricas. Cabe anotar que pese a esa facilidad con que se interrumpe el orden energético, los cristales de moléculas pequeñas mantienen un orden considerable. Los semiconductores fabricados con pequeñas moléculas, se destacan por presentar mejores niveles de conducción que los semiconductores poliméricos, pero el ser muy difíciles de preparar en soluciones, los inhabilita para poder ser depositados con técnicas de fabricación de bajo costo como impresión convencional o spin coating, y por esta razón, tampoco pueden formar películas delgadas de gran área. Entre los semiconductores orgánicos, las moléculas de bajo peso molecular más utilizadas según la pagina [21], son: TPD, perileno, pentaceno, 6-tiofeno, fullereno (C60) y Alq3. El perileno, el pentaceno y el TPD son materiales transportadores de huecos y usados como materiales fluorescentes en OLED. El 6-tiofeno, es un representante de la familia del tiofeno, el cual es conocido por su gran movilidad de huecos, y es usualmente utilizado en OFETs. El PBD , es un conductor de electrones usado en OLEDs. El C60 o Fullereno es un material con gran afinidad electrónica, y sus derivados son utilizados como aceptores de electrones en dispositivos fotovoltáicos. Por último el Alq3 es un complejo organometálico con una electroluminiscencia de color verde muy eficiente y de muy buena estabilidad, usado en OLED
• Polímeros semiconductores: Los polímeros se caracterizan por ser cadenas muy largas, compuestas de monómeros, en donde cada monómero está unido mediante enlaces covalentes. Esto conduce a que al haber una gran cantidad de unidades monoméricas enlazadas fuertemente, dentro de las cadenas de polímero se formen bandas de energía, como en los semiconductores inorgánicos. Sin embargo estas cadenas son de longitud finita, y un compuesto polimérico está constituido de millones de estas cadenas, las cuales están muy débilmente acopladas, razón por la que en los polímeros al igual que en los cristales moleculares orgánicos conjugados, la estructura de bandas de energía tampoco presente mucha relevancia en la corriente total del semiconductor. Los polímeros semiconductores a diferencia de los cristales moleculares, son más fácilmente solubles, lo que permite que sean depositados mediante impresión convencional o spin coating, y de esta manera ser depositados en películas delgadas de gran área a muy bajo costo. Adicionalmente, los polímeros semiconductores presentan las características propias de los materiales poliméricos, como son flexibilidad y durabilidad. En cuanto a la conductividad, al presentar los polímeros estructuras amorfas, presentan una conductividad menor a los cristales moleculares, por razones que veremos en el siguiente capítulo.
  
  Los polímeros semiconductores más utilizados en la industria son: los politiofenos, polipirroles, polianilinas, PPP, PPV, PVK, polyfluoreno, PEDOT-PSS, PPE y los dendrimeros. El PPV es un compuesto muy utilizado en dispositivos electroluminiscentes, este compuesto en la forma de MEH-PPV y ciano-PPV es muy soluble y su banda de gap mejora para el transporte de cargas. El PPE y el PPP y los polifluorenos (PF) también son muy utilizados en dispositivos emisores de luz. El PVK fue uno de los primeros semiconductores orgánicos descubiertos, junto con el poliacetileno y fue el primer polímero en el cual se reportó electroluminiscencia. Los politiofenos son de gran interés por su buena solubilidad y excelentes posibilidades de procesamiento, además presentan gran capacidad de transporte de carga e índices altos de on/off. Uno de los politiofenos más estudiados es el PEDOT . El PEDOT:PSS es el resultado de la polimerización química oxidativa del monómero EDOT en poly (PSS). El sistema resultante que consiste de los polímeros conjugados PEDOT de dopado tipo p y PSS como iones opuestos que mantienen la carga neutral, es altamente conductivo transparente, mecánicamente durable e insoluble. En los últimos años este material transparente está siendo utilizado en muchas aplicaciones en los dispositivos orgánicos electroquímicos y como capa de inyección de huecos en OLED"s (LEDs orgánicos). Los dendrímeros son polímeros hiper-ramificados; su estructura contiene unidades ramificadas repetidas llamadas dendrómeros que se radían desde su centro. Los dendrímeros tienen una concentración extremadamente alta de grupos funcionales que le confieren su alto peso molecular y su volumen. En el campo de los OLEDs, los dendrímeros permiten que las pequeñas moléculas mantengan sus propiedades semiconductoras y adquieran algunas ventajas de los PLEDs, como la capacidad de ser procesadas como solución.

Fuente: http://www.monografias.com/trabajos67/electronica-organica/electronica-organica2.shtml

Fabricacion de transistores organicos en aulas docentes

Los trabajos de laboratorio en las asignaturas de dispositivos electrónicos consisten en general en la simulación o caracterización eléctrica de dispositivos comerciales. Difícilmente se aborda en dichas prácticas la fabricación real de dispositivos electrónicos activos. Como mucho se fabrican elementos pasivos, tales como resistencias o condensadores. Las razones son obvias, para la fabricación de dispositivos electrónicos con razonables prestaciones eléctricas se necesitan equipos de proceso que en la mayoría de los casos no existen ni en los propios grupos de investigación de las universidades.

En este artículo describiremos la fabricación de un transistor de efecto de campo en capa delgada utilizando procesos tecnológicos simples que pueden realizarse en equipos relativamente económicos.

Los dispositivos se fabricarán utilizando semiconductores orgánicos de pequeña molécula. El
pentaceno (C22H14), molécula consistente en cinco anillos de benceno enlazados formando una cadena aromática, es uno de los candidatos más prometedores, y será el utilizado para la fabricación de nuestros dispositivos, aunque también pueden utilizarse pigmentos como la ftalocianina de cobre (CuPc) o fulereno (C60). Los dispositivos finales tendrán áreas de contacto (del orden de los milímetros) suficientemente grandes para ser caracterizados y manipulados con cierta facilidad.

Descripción del proceso de fabricación
La estructura de los dispositivos fabricados se muestra en la figura 1. En la figura 1a se presenta un esquema del transistor, consistente en vidrio/metal/PMMA/pentaceno/oro, así como una foto con los dispositivos fabricados (figura 1b). El substrato consiste un vidrio, por ejemplo un porta objetos de microscopio, aunque también podría utilizarse un plástico o cualquier superfície suficientemente plana. A continuación se deposita por evaporación térmica una capa de metal que actuará como electrodo de puerta (Gate). El proceso continua mediante el depósito de polimetil metacrilato (PMMA), polímero que realizará la función de dieléctrico. El PMMA se deposita por spin-coating con el fin de conseguir una superfície uniforme. El semiconductor orgánico, pentaceno en nuestro caso, se deposita a continuación mediante una máscara de sombra. Finalmente se deposita mediante evaporación térmica el contacto de oro, que delimitará los contactos de drenador (Drain) y fuente (Source).


La utilización de una máscara de sombra nos permite aislar los dispositivos, así como delimitar la longitud y anchura del canal del transistor. En nuestro caso hemos utilizado máscaras de sombra que es posible adquirirlas en compañías especializadas (www.labelcomat.be). La capa delgada de pentaceno se deposita mediante evaporación térmica en un equipo que describiremos a continuación. El material base, pentaceno en polvo, fue proporcionado por la compañía Sigma–Aldrich (www.sigmaaldrich.com).

El electrodo de aluminio fue también depositado por evaporación térmica a partir de filamento de oro. En nuestro caso utilizamos oro proporcionado por la compañía Goodfellow (www.goodfellow.com). Los nombres de las compañías se mencionan a título de ejemplo, puesto que son varias las que ofertan los diferentes compuestos.

El equipo utilizado para el depósito del semiconductor, pentaceno, y del contacto superior,
aluminio, consiste de los siguientes subequipos:

• Campana de evaporación. En nuestro caso la campana de evaporación es de vidrio y de dimensiones 20 cm de diámetro de base por 25 cm de altura.
  

• Equipo de vacío, que consiste en una bomba mecánica en serie con una bomba turbomolecular.

En la figura se muestra la campana de evaporación utilizada. También se puede observar uno de los crisoles utilizados para la evaporación de los materiales. El semiconductor orgánico y los electrodos se evaporan térmicamente utilizando crisoles moldeados manualmente a partir de una chapa de molibdeno de 50 micras de grosor. Las temperaturas de evaporación para los materiales utilizados son bastante moderadas. La temperatura de fusión para el pentaceno es de 300ºC, mientras que el oro funde a 1000ºC. Para la delimitación de los contactos metálicos, tanto el pentaceno, como el contacto de oro fueron evaporados a través de una máscara metálica a la que previamente se habían delimitado los contactos de drenador y fuente. En la figura se observa a alumnos de segundo ciclo utilizando el sencillo equipo de depósito de semiconductores orgánicos.



Fuente: http://romulo.det.uvigo.es/revista/RITA/site/200902/uploads/IEEE-RITA.2009.V4.N1.A10.pdf

Dispositivos flexibles fotovoltáicos y leds de bajo costo

(NC&T) Todo esto y más podría derivar de una investigación puntera desarrollada en la Universidad de Cornell cuyo resultado es un nuevo tipo de dispositivo semiconductor orgánico que exhibe electroluminiscencia y funciona como una célula fotovoltaica. El dispositivo es el primero en utilizar una "unión iónica" que los investigadores dicen podría llevar a un funcionamiento mejorado. Como los semiconductores orgánicos pueden fabricarse en hojas delgadas y flexibles, servirían para producir displays en tela o papel.

El trabajo fue llevado a cabo por Daniel Bernards, Samuel Flores-Torres, Héctor Abruña y Malliaras.

Los semiconductores, orgánicos o de otro tipo, son materiales que contienen un exceso de electrones libres (tipo N) o bien de huecos (tipo P). Los huecos son los espacios donde un átomo debiera tener un electrón pero no lo tiene, por lo que representa una carga positiva. Los materiales de tipo N y de tipo P pueden unirse para formar los diodos y los transistores. Los investigadores de la Universidad de Cornell han ido un paso más allá fabricando un diodo a partir de semiconductores orgánicos que también contienen iones libres (moléculas con una carga eléctrica). Primero unieron dos capas orgánicas, una conteniendo iones positivos libres y la otra con iones negativos. Luego agregaron películas delgadas conductoras en la parte superior y en la inferior. El conductor superior es transparente para permitir la entrada y la salida de la luz.
Donde las dos películas se unen, los iones negativos migran por la unión al lado positivo y viceversa, hasta que se alcanza el equilibrio. Esto es análogo a lo que ocurre en un diodo de silicio, donde los electrones y los huecos migran a través de la unión.

Cuando se aplica un voltaje entre los electrodos superior e inferior, fluye una corriente. El flujo a través de la unión es en forma de electrones que se mueven en un sentido mientras los huecos se mueven en el opuesto. La migración de cargas iónicas a través de la unión produce un potencial más alto (diferencia de voltaje) que el normal, el cual afecta a la forma en que se combinan los electrones con los huecos. Esto incrementa la energía de las moléculas, que es liberada rápidamente en forma de fotones de luz. La unión muestra una intensa emisión lumínica.

Por otro lado, cuando se aplica una luz intensa, los fotones son absorbidos por las moléculas y ello las hace expulsar los electrones. Las cargas iónicas crean una "dirección preferencial" para el movimiento de los electrones, y fluye una corriente.

Como el dispositivo se creó uniendo materiales que son flexibles, podrían fabricarse grandes cantidades a muy bajo costo, gracias a la posibilidad de trabajar con materiales disponibles en forma de simples rollos.

Fuente: http://www.solociencia.com/quimica/06101802.htm

Diodo orgánico de emisión de luz (OLED)

Un diodo orgánico de emisión de luz, también conocido como OLED (acrónimo del inglés: Organic Light-Emitting Diode), es un diodo que se basa en una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan, a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos.

Existen muchas tecnologías OLED diferentes, tantas como la gran diversidad de estructuras (y materiales) que se han podido idear (e implementar) para contener y mantener la capa electroluminiscente, así como según el tipo de componentes orgánicos utilizados.

Las principales ventajas las pantallas OLEDs son: más delgados y flexibles, más contrastes y brillos, mayor ángulo de visión, menor consumo y, en algunas tecnologías, flexibilidad. Pero la degradación de los materiales OLED han limitado su uso por el momento. Actualmente se está investigando para dar solución a los problemas derivados de esta degradación, hecho que hará de los OLEDs una tecnología que puede reemplazar la actual hegemonía de las pantallas LCD (TFT) y de la pantalla de plasma.

Por todo ello, OLED puede y podrá ser usado en todo tipo de aplicaciones: pantallas de televisión, pantalla de ordenador, pantallas de dispositivos portátiles (teléfonos móviles, PDAs, reproductores MP3...), indicadores de información o de aviso, etc. con formatos que bajo cualquier diseño irán desde unas dimensiones pequeñas (2") hasta enormes tamaños (equivalentes a los que se están consiguiendo con LCD). Mediante los OLEDs también se pueden crear grandes o pequeños carteles de publicidad, así como fuentes de luz para iluminar espacios generales. Además, algunas tecnologías OLED tienen la capacidad de tener una estructura flexible, lo que ya ha dado lugar a desarrollar pantallas plegables o enrollables, y en el futuro quizá pantallas sobre ropa y tejidos, etc.

Un OLED está compuesto por dos finas capas orgánicas: capa de emisión y capa de conducción, que a la vez están comprendidas entre una fina película que hace de terminal ánodo y otra igual que hace de cátodo. En general estas capas están hechas de moléculas o polímeros que conducen la electricidad. Sus niveles de conductividad eléctrica van desde los niveles aisladores hasta los conductores, y por ello se llaman semiconductores orgánicos
La elección de los materiales orgánicos y la estructura de las capas determinan las características de funcionamiento del dispositivo: color emitido, tiempo de vida y eficiencia energética.

Principio de funcionamiento
Se aplica voltaje a través del OLED de manera que el ánodo es positivo respecto del cátodo. Esto causa una corriente de electrones que fluye en este sentido. Así, el cátodo da electrones a la capa de emisión y el ánodo los sustrae de la capa de conducción.
Seguidamente, la capa de emisión comienza a cargarse negativamente (por exceso de electrones), mientras que la capa de conducción se carga con huecos (por carencia de electrones). Las fuerzas electroestáticas atraen a los electrones y a los huecos, los unos con los otros, y se recombinan (en el sentido inverso de la carga no habría recombinación y el dispositivo no funcionaría). Esto sucede más cercanamente a la capa de emisión, porque en los semiconductores orgánicos los huecos son más movidos que los electrones (no ocurre así en los semiconductores inorgánicos).

La recombinación es el fenómeno en el que un átomo atrapa un electrón. Dicho electrón pasa de una capa energética mayor a otra menor, liberándose una energía igual a la diferencia entre energías inicial y final, en forma de fotón.

La recombinación causa una emisión de radiación a una frecuencia que está en la región visible, y se observa un punto de luz en un color determinado. La suma de muchas de estas recombinaciones que ocurren de forma simultánea es lo que llamaríamos imagen.Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Diodo_org%C3%A1nico_de_emisi%C3%B3n_de_luz

Similitudes con los semiconductores inorgánicos

Los semiconductores orgánicos poseen características similares a los semiconductores inorgánicos. La siguiente tabla muestra sus correspondencias de manera sucinta:

Además, como los semiconductores inorgánicos, los semiconductores orgánicos pueden ser dopados, es decir, que pueden producir electrones en exceso (dopaje N ) o huecos (dopaje P). En los semiconductores inorgánicos, esto se hace, generalmente, por implantación iónica, es decir, mediante la adición de iones en los semiconductores. Estos iones tienen electrones de valencia extra o en defecto, según el caso, lo que permite añadir los portadores de carga deseados. Sin embargo, esta técnica requiere mucha energía par dopar las películas de los semiconductores orgánicos, que son demasiado frágiles para este tipo de intervención. La técnica preconizada es exponer la película de semiconductores orgánicos al paso de vapor de un oxidante o un reductor, que tiene el efecto de eliminar o añadir electrones a la película. Los semiconductores muy dopados tales como la polianilina (Ormecon) y el Pédot: PSS también son llamados metales orgánicos.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_org%C3%A1nico

Concepto General

En la actualidad, la mayoría de los dispositivos comerciales se fabrican utilizando semiconductores inorgánicos, tales electrónicas excelentes. No obstante, en los últimos años ha habido un gran interés en la obtención de dispositivos utilizando semiconductores orgánicos para su aplicación en sistemas electrónicos que requieran gran área y prestaciones electrónicas no muy exigentes.

Un semiconductor orgánico es un compuesto orgánico bajo la forma de un cristal o un polímero, que muestra propiedades similares a las de los semiconductores inorgánicos.

Estas propiedades son la conducción por los electrones y los huecos, y la presencia de una banda prohibida. Estos materiales han dado lugar a la electrónica orgánica, o electrónica de los plásticos. Por organica se entienden las moléculas que se basan en el carbono, las moléculas básicas para la vida. Se llama orgánica en oposición a los semiconductores inorgánicos, como los de silicio.

La conductividad 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 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.

Actualmente es posible fabricar dispositivos tan diversos como células solares fotovoltaicas, transistores en capa delgada o diodos emisores de luz utilizando semiconductores orgánicos. Esta última aplicación está tan desarrollada que ya existen dispositivos comerciales que incorporan pantallas OLED (organic light emitting diode).

Existe una gran cantidad de semiconductores orgánicos y la investigación en su síntesis ha experimentado un gran progreso en los últimos años. En la actualidad es posible sintetizar semiconductores orgánicos a la carta, es decir buscando unas propiedades predeterminadas de acuerdo con la función de los dispositivos que se quieren fabricar. En general, los semiconductores orgánicos pueden dividirse en dos grandes familias según su estructura química: polímeros (formados por largas cadenas de monómeros) y oligómeros (formados por una o unas pocas moléculas). La obtención de capas delgadas a partir de estos semiconductores es diferente según estemos trabajando con polímeros o con moléculas pequeñas. Para los polímeros el proceso habitual de depósito es 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 substrato utilizado. Posteriormente se hace rotar el substrato a gran velocidad, típicamente por encima de 1000 revoluciones por minuto, distribuyéndose todo el líquido 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, los semiconductores orgánicos en pequeña molécula se depositan mediante evaporación térmica en cámaras de vacío. Ambas tecnologías permiten obtener dispositivos con notables propiedades eléctricas. Tanto el spin-coating como la evaporación en vacío son técnicas de depósito relativamente sencillas, pueden comprenderse de forma intuitiva, y apenas requieren formación previa para su utilización.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_org%C3%A1nico
http://romulo.det.uvigo.es/revista/RITA/site/200902/uploads/IEEE-RITA.2009.V4.N1.A10.pdf

Semiconductores organicos (nanotecnologia)

Investigadores de la Universidad de Georgia han utilizado la nanotecnología para hacer crecer hebras de semiconductores orgánicos, con características similares a los semiconductores de silicio. El experimento podría conducir a una nueva clase de componentes electrónicos, e incluso, proporcionarnos una familia de células de combustible biológicas ideales para mantener en funcionamiento marcapasos, implantes cocleares y prótesis de todo tipo. Sin dudas, se trata de un avance significativo de la nanotecnología.

Un equipo de químicos de la Universidad de Georgia (UGA) liderado por Jason Locklin, un profesor adjunto del Franklin College of Arts and Science de la Facultad de Ingeniería, logró hacer crecer pequeñas hebras de polímeros orgánicos compuestos por cadenas de tiofeno (un hidrocarburo constituido por cuatro átomos de hidrógeno y uno de azufre ligados a cuatro átomos de carbono) y benceno ancladas sobre la superficie de delgadas láminas de metal. Estas dos sustancias son moléculas aromáticas que a veces se utilizan como disolventes.

Los estudiantes de posgrado Nicholas Marshall y Kyle Sontag participaron de los experimentos junto a Locklin. El científico dice que “estos conductores moleculares son cadenas de polímero que han crecido sobre una superficie de metal, y presentan una muy alta densidad. La estructura del conjunto se parece a un cepillo de dientes, donde las cadenas de polímeros hacen las veces de cerdas”, por lo que el equipo ha comenzado a referirse a ellas simplemente como “cepillos”. Lo más interesante de todo esto es que las hebras creadas en Georgia comparten las características de los semiconductores, a pesar de su naturaleza orgánica.

“La belleza de los semiconductores orgánicos es que cambian sus propiedades a medida que varia su tamaño”, dice Locklin. El tiofeno se comporta como un aislante, pero “si unimos varias moléculas de tiofeno entre sí, siguiendo un patrón determinado, el conjunto adquiere características propias de los conductores”, se entusiasma. Los científicos han realizado experimentos que demuestran que esta técnica permite crear polímeros cuya estructura se ajusta a sus caprichos, logrando diferentes grados de conducción. “Esto abre el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos, como sensores, transistores y diodos, a una escala comprendida entre los 5 y 50 nanómetros”, agrega Locklin

Los chips de futuro podrían ser orgánicos.
Locklin cree que estos materiales también tienen futuro como parte de la “fuente de alimentación” destinada a proveer de energía eléctrica a los dispositivos electrónicos que se implantan dentro del cuerpo humano. Según sus dichos, “es difícil aprovechar una fuente de combustible propia del cuerpo, como la glucosa, como parte de una celda de combustible que reemplace a las baterías, pero nuestros cables moleculares podrían ayudarnos a crear una forma de manejar flujo de cargas gracias a sus características orgánicas”. Sin dudas, el campo de los semiconductores orgánicos parece muy prometedor. De todos modos, Locklin es muy cauto y asegura que todavía estamos en los comienzos de esta tecnología, y que “aún no conocemos los principios físicos involucrados en la forma en que se desplazan las cargas a través de estos materiales.”

La revista Chemical Science, que en su ultimo número ha publicado el trabajo del equipo liderado por Jason Locklin, afirma que esta técnica es “un avance significativo de la nanotecnología”. Si logran convertir este experimento en un sistema viable para el desarrollo de componentes electrónicos, podríamos estar en los comienzos de una nueva etapa de la industria que incluso podría volver a hacer válida la vapuleada Ley de Moore.

Fuente: http://www.neoteo.com/semiconductores-organicos-nanotecnologia.neo

Nuevas tecnologías prometen celdas solares más baratas y eficientes

La luz solar es un fenómeno extraordinario. Es la fuente de la fotosíntesis, calienta nuestros días de verano y -si logramos desarrollar y fabricar celdas solares más baratas y eficientes- puede ser la mejor fuente de energía confiable, limpia y renovable.

Diane Hinkens, de la Universidad de Dakota del sur, es parte de un equipo en el que también está Qiquan Qiao y Seth Darling. Los tres, desde sus particulares especialidades científicas (química, informática y nanotecnología), están buscando diseñar, sintetizar y eventualmente fabricar celdas solares más eficientes y baratas que las actuales.

Las celdas solares que se usan hoy son caras porque están hechas de silicio, un semiconductor inorgánico. A diferencia de esto, la celda en la que trabajan en Dakota está basada en semiconductores orgánicos basados en carbón, hechos con polímeros.

Los avances y experimentos hechos hasta la fecha son muy prometedores y cada día aumenta la esperanza de que sea posible hacer una celda solar que supere muchas de las limitaciones actuales.

Por ejemplo, las nuevas celdas podrán convertir en electricidad gran parte del espectro de luz visible, desde el violeta hasta el rojo, "exprimiendo" cada electrón.

Para lograr esto, el equipo deberá desarrollar una técnica que permita poner diez mil millones de millones de moléculas hechas con polímeros en un centímetro cuadrado.

Determinar qué polímeros serán los mejores para realizar el trabajo es arduo. Para avanzar rápidamente se usan programas informáticos desarrollados para la industria química, que les da la dirección donde se pueden hallar resultados prometedores.

Se estima que estas celdas solares serán más baratas porque los polímeros orgánicos se pueden fabricar con técnicas de bajo costo, similares a las rotativas que imprimen diarios. El resultado es un material ligero y flexible

Fuente: http://sophimania.blogspot.com/2008/12/nuevas-tecnologas-prometen-celdas.html

NOMFET: Un transistor que imita neuronas

El equipo a cargo del desarrollo está formado por especialistas pertenecientes al CNRS

PARÍS, FRANCIA.- Un equipo de investigación francés, compuesto por especialistas del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) y de la CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique), ha creado el primer transistor orgánico capaz de imitar el funcionamiento de las neuronas.

El dispositivo, que podría ser el primer paso para construir una nueva generación de ordenadores capaces de responder de una manera similar a la del cerebro humano, basa su funcionamiento en una propiedad neuronal llamada plasticidad, que le permite “aprender” de los estímulos externos que recibe.

Un grupo de científicos franceses ha creado el primer transistor orgánico capaz de comportarse de una forma parecida a la de una neurona biológica. En efecto, mientras que los transistores convencionales se comportan básicamente como llaves que permiten o no el paso de una señal, o como “amplificadores” cuya intensidad de salida depende de la de entrada, los nuevos dispositivos pueden modificar su comportamiento en función de los estímulos que recibe.

Construidos a partir de nanoparticulas de oro y moléculas de pentaceno, los nuevos NOMFET (Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor) basan su funcionamiento en una propiedad neuronal llamada plasticidad, que modula la percepción de los estímulos con el medio.

El equipo a cargo del desarrollo está formado por especialistas pertenecientes al CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) y a la CEA (Commissariat à l'Énergie Atomique) de Francia.

“Básicamente, hemos demostrado que las cargas eléctricas que fluyen a través de una mezcla de un semiconductor orgánico y nanopartículas metálicas pueden comportarse de la misma manera que los neurotransmisores que se desplazan a través de una conexión sináptica en el cerebro”, explica Vuillaume Dominique, director de investigación del CNRS y del Grupo de Dispositivos y Nanoestructuras Moleculares del IEMN (Institute for Electronics Microelectronics and Nanotechnology).

Sus creadores suponen que el NOMFET podría dar paso a una nueva generación de ordenadores cuyo funcionamiento -en lugar de basarse en ceros y unos- funcione de forma similar a la de nuestro cerebro. El dispositivo imita la forma en la que los sistemas biológicos operan para crear nuevos “circuitos”, según puede leerse en el estudio publicado en la revista Advanced Functional Materials.

El secreto de su funcionamiento reside en las nanopartículas de oro recubiertas con pentaceno, materiales que juntos poseen una propiedad especial que le permite al NOMFET simular las funciones de las sinapsis.

El proceso de comunicación entre dos neuronas mediante la transmisión de impulsos eléctricos se denomina plasticidad, y puede verse como una especie de “efecto memoria”. Esta característica es la que permite a una neurona biológica “aprender” a asociar un estimulo que recibe con un estado particular de la salida. A medida que el proceso se repite una y otra vez, la neurona va optimizando su funcionamiento y cada vez es más eficiente generar una respuesta frente a un estímulo que ya conoce.

En realidad, el nuevo NOMFET no hace nada que un circuito electrónico más complejo no pueda hacer, sino que la innovación reside en que un solo componente hace todo el trabajo.

Hasta ahora, para imitar esta plasticidad, eran necesarios siete transistores CMOS (“complementary metal-oxide-semiconductor”), una de las tecnologías utilizadas masivamente para fabricar microprocesadores y memorias. Cuando se convierta en un dispositivo practico y disponible en grandes cantidades, el nuevo transistor orgánico permitirá construir una revolucionaria generación de ordenadores cuyo modo de funcionamiento se parecerá mucho al de un cerebro vivo.

Estas verdaderas “redes neuronales” basadas en los NOMFET podrán resolver problemas que a los ordenadores de silicio históricamente les han resultado difíciles de abordar, como el reconocimiento de imágenes o del habla humana.

Dominique explica que el cerebro humano contiene 10,000 veces más sinapsis que neuronas, lo que significa que si los científicos quieren desarrollar circuitos capaces de imitar el trabajo de nuestro cerebro necesitan desarrollar un dispositivo a nanoescala con un consumo de energía tan bajo como el de una sinapsis. “Esto ha impulsado la investigación de los dispositivos sinápticos a nanoescala”, señala Vuillaume.

“De hecho, ya hemos desarrollado redes neuronales y las hemos utilizado en algunas aplicaciones. Sin embargo, aunque los chips de silicio basados en CMOS se han diseñado y fabricado para emular el comportamiento del cerebro, este enfoque es limitado debido a que son necesarios varios transistores de silicio -al menos siete- para construir una sinapsis electrónica. En este caso, hicimos lo mismo con un único dispositivo”, concluye.

El especialista cree que el NOMFET puede “conducirnos a sistemas tan flexibles que puedan ser programados mediante el aprendizaje”. Si está en lo cierto, tu proximo ordenador quizá deba ser "educado" convenientemente antes de que lo puedas usar.

Fuente: http://www.neoteo.com/nomfet-un-transistor-que-imita-neuronas.neo