La importancia de los materiales semiconductores ha crecido exponencialmente, debido a su invaluable uso en áreas como la electrónica. El semiconductor más utilizado es el silicio, sin embargo, la tecnología implicada en su fabricación es compleja, costosa y altamente contaminante. Es por ello que cobra especial relevancia el desarrollo de semiconductores orgánicos que contaminen en menor medida durante su fabricación y vida útil y que, además, cuenten con las propiedades electrónicas del silicio.
El artículo CuPc: Effects of its Doping and a Study of Its Organic-Semiconducting Properties for Application in Flexible Devices, publicado en la revista Materials, se refiere a la síntesis y caracterización de nuevos semiconductores orgánicos, fabricados a partir del macrociclo denominado ftalocianina de cobre (CuFt) y los compuestos orgánicos tetratiafulvaleno (TTF) y tetracianoquinodimetano (TCNQ). Dicho artículo es producto del trabajo realizado por Mariel Leyva Esqueda, en su tesis del Doctorado en Ingeniería Industrial de nuestra Universidad.
En esta investigación el dopaje de los semiconductores se llevó a cabo siguiendo los principios de química verde, utilizando un reactor con temperatura y presión controladas. Posterior a la síntesis, los semiconductores se purificaron y caracterizaron en su estructura química, no solo con técnicas experimentales como la espectroscopía infrarroja, sino también con el modelado y optimización de su estructura molecular, con ayuda de la teoría del funcional de la densidad (DFT por sus siglas en inglés).
Con la finalidad de estudiar sus propiedades ópticas y su comportamiento como componentes en dispositivos electrónicos, se fabricaron películas delgadas por la técnica de evaporación al alto vacío. Las películas semiconductoras de ftalocianina, dopada con el donador electrónico tetratiafulvaleno (TTF-CuFt) y el aceptor electrónico tetracianoquinodimetano (CuFt-TCNQ), presentaron una alta estabilidad química y térmica. La morfología de estas películas se estudió por difracción de rayos X (DRX) y por microscopía electrónica de barrido (MEB) y su comportamiento óptico se analizó mediante espectroscopia Ultravioleta-Visible (UV-Vis).
Este comportamiento implica la aparición de la banda B en la región UV cercana del espectro electromagnético y la banda Q, en la region infrarroja. Ambas bandas están relacionadas con los orbitales moleculares del sistema aromático de la ftalocianina, con sus 18π electrones y con sus orbitales superpuestos en el átomo de cobre. El espectro de absorción obtenido para la película TTF-CuFt mostró las dos señales importantes: un pico de alta energía, alrededor de 613nm, y un segundo de menor energía en 695nm. Ambos picos corresponden a la transición de la banda Q de la CuFt. En el espectro también se observó la presencia de la banda B en 330nm y el bandgap óptico obtenido a partir de los modelos de Tauc y Cody fue de 1.4 eV. Por otro lado, la banda B en el espectro UV-vis para la película de CuFt-TCNQ, es similar a la de TTF-CuFt, aunque no incluye la banda Q y su bandgap óptico es de 1.6 eV. Los valores de bandgap experimentales de Tauc y Cody se compararon con los calculados a través de DFT y los resultados fueron consistentes. Esto es de gran importancia debido a que los semiconductores se evalúan por su valor de bandgap, y los resultados obtenidos en el presente estudio están dentro del rango de los presentados por el silicio tanto intrínseco como dopado.
Finalmente, para estudiar el efecto de los dopantes en la ftalocianina, se fabricaron dispositivos electrónicos flexibles sobre PET, y se evaluaron en su comportamiento eléctrico. Los dispositivos constituidos por la capa activa del donante-receptor previamente sintetizados (TTF-CuFt y CuFt-TCNQ) se depositaron sobre sustratos con película conductora transparente de óxido de indio y estaño (ITO). El ITO fue utilizado como ánodo, mientras que, para el cátodo, se depositaron puntos de plata. Las características eléctricas (corriente-voltaje) de los dispositivos, se midieron tanto en condiciones de oscuridad, como de iluminación natural. Los resultados obtenidos mostraron valores de densidad de corriente de 10 A/cm2. La movilidad de los portadores de carga (μ) se obtuvo a partir de la evaluación eléctrica y los valores obtenidos para los dispositivos flexibles, se situaron entre 1.84x109 y 4.51x109 cm2/Vs. Estos resultados son consistentes con los requeridos para semiconductores utilizados en dispositivos optoelectrónicos.
Dra. María Elena Sánchez Vergara, investigadora de la Universidad Anáhuac México, Facultad de Ingeniería, y Coordinadora del área temática de investigación en Ciencias exactas y tecnología. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 1 en el área VII.
Referencia del artículo: CuPc: Effects of its Doping and a Study of Its Organic-Semiconducting Properties for Application in Flexible Devices. Mariel Leyva Esqueda, María Elena Sánchez Vergara, José Ramón Álvarez Bada, Roberto Salcedo. Materials (2019) 12, 3, 434; DOI: https://doi.org/10.3390/ma12030434