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Modelling of electronic processes at interfaces in organic-based electronic devices

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El comportamiento electrónico en las interfases entre materiales

Muchos dispositivos eléctricos se forman apilando capas de distintos materiales. La Unión Europea financió un trabajo de caracterización de los procesos eléctricos que ocurren en las interfases entre estos materiales, el cual podría deparar productos de mejor rendimiento.

Energía

Los dispositivos de base orgánica, como los monitores emisores de luz, las fotoceldas y los sensores químicos y biológicos, se fundamentan en la deposición de capas de distintos materiales. Por esta razón es necesario caracterizar las interfases entre los metales, óxidos, aislantes y semiconductores que conforman dichos dispositivos. Hasta la fecha la extensa labor científica realizada ha llevado a un entendimiento más profundo de la morfología de estos materiales e interfases, pero para completar el estudio hacía falta una caracterización detallada de los procesos eléctricos pertinentes. El proyecto «Modelling of electronic processes at interfaces in organic-based electronic devices» (MINOTOR), financiado por la Unión Europea, hizo hallazgos que han ayudado a llenar ese vacío. Los científicos del proyecto se centraron simultáneamente en interfases metal-óxido (M/O), orgánico-orgánico (O/O) e inorgánico-orgánico (I/O). MINOTOR aplicó técnicas basadas en la transformada discreta de Fourier (DFT) que describen matemáticamente los funcionales de densidad electrónica de los sistemas de muchos electrones. Los científicos emplearon estos métodos para evaluar la llamada función de trabajo (el esfuerzo necesario para sacar un electrón de una superficie) y estudiar el enclavado de niveles de Fermi (que se oponen a dicho esfuerzo). Los métodos estándar basados en la DFT describieron bien las interfases M/O, en las que hay un acoplamiento fuerte entre las moléculas y la superficie. Los científicos demostraron que las características de los electrones de la superficie de un electrodo metálico pueden ser moduladas con enorme precisión si se modifican las moléculas que forman la monocapa autoensamblada (SAM) que lo recubre. Los métodos basados en la DFT reprodujeron fiablemente los efectos del enclavado de niveles de Fermi para casos de acoplamiento débil (por ejemplo cuando un metal está recubierto por una capa delgada de su propio óxido). Se recomendaron unos funcionales de DFT con corrección de largo alcance para describir los cambios en la distribución de carga en interfases O/O con transferencia parcial de carga entre entes donantes y receptores. Sin embargo, los modelos microelectrostáticos rindieron mejor que la DFT en sistemas O/O dominados por efectos de polarización. En el caso de las interfases I/O, los investigadores lograron modular la función de trabajo de capas de óxido injertando moléculas que forman SAM. Simultáneamente se emplearon métodos DFT de amarre fuerte («tight binding») para describir la distribución de densidad electrónica de las interfases. Numerosos dispositivos se fabricaron para conectar teoría y experimento, incluyendo sistemas espintrónicos y fotoceldas. El proyecto demostró que es posible modular las características de las interfases entre materiales y estudió el papel que desempeña la morfología de estas últimas en el rendimiento de los dispositivos. MINOTOR ha brindado un mejor entendimiento de los procesos electrónicos en toda clase de interfases que podría ayudar en un futuro a los diseñadores a crear productos de alto rendimiento.

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