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Dinâmica de pólarons em cristais moleculares orgânicos

By Marcelo Lopes Pereira Júnior

Abstract

Dissertação (mestrado)–Universidade de Brasília, Faculdade UnB de Planaltina, Programa de Pós-Graduação em Ciência de Materiais, 2018.O grande potencial dos semicondutores orgânicos para o desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos com bom compromisso entre custo/desempenho vem atraindo de forma crescente o interesse da comunidade científica. Aplicações, tais como diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs, do inglês Organic Light-Emitting Diodes) e células fotovoltaicas orgânicas (OPVs, do inglês Organic Photovoltaic), representam uma evolução tecnológica dispondo de baixo impacto ambiental, baixo custo de produção e propriedade mecânicas de grande relevância (como flexibilidade e espessura fina). O transporte de carga em semicondutores orgânicos é um importante processo na funcionalidade destes dispositivos, de forma que a estabilidade e as propriedades dinâmicas de portadores de carga nos materiais estão diretamente ligadas a performance das aplicações optoeletrônicas. Entender como ocorre e quais fatores influenciam na estabilidade e, consequentemente, na dinâmica dos portadores de carga é um desafio significativo na ciência destes materiais. Nesse sentido, cristais moleculares orgânicos, em especial oligoacenos, têm se mostrado materiais promissores no avanço da eletrônica orgânica. Semicondutores orgânicos, em seu estado puro, são isolantes e dependem de processos de dopagem para se tornarem semicondutores. A partir destes processos de dopagem, a formação de portadores de carga é induzida, sendo um dos mais comuns: o pólaron, onde a adição ou subtração de um elétron polariza localmente o cristal, deformando a rede onde ele se encontra, de modo que a carga adicional e as deformações da rede ficam acopladas. Neste trabalho, a estabilidade e dinâmica de pólarons em oligoacenos são investigadas numericamente sob influência de campo elétrico externo, anisotropia, desordem e temperatura. Sendo o objetivo principal do trabalho estudar a estabilidade e dinâmica de pólarons em cristais uni e bidimensionais de naftaleno, antraceno, pentaceno, tetraceno e rubreno. Para realização desse estudo foi utilizado um modelo semi-empírico que leva em consideração as interações intra e intermoleculares, chamado Holstein-Peierls. Os resultados obtidos sugerem, dentre outras conclusões, que o pólaron tem sua localização afetada com o aumento dos graus de anisotropia, porém não deixa de ser estável e inclusive a dinâmica ocorre, de acordo com este modelo, apenas em sistemas anisotrópicos, sob a influência de campo elétrico externo. A estabilidade também diminui com o aumento da desordem no sistema, que simula efeitos de impurezas e defeitos nos materiais. A estabilidade do portador durante a dinâmica também é substancialmente afetada com o aumento da temperatura.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The great potential of organic semiconductors for the development of new optoelec- tronic devices with good compromise between cost/performance has increasingly attracted the interest of the scientific community. Applications such as organic light- emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaic cells (OPVs) represent a technologi- cal evolution with low environmental impact, low cost of production and mechanical properties of great relevance (like flexibility and thin thickness). lhe charge transport in organic semiconductors is an important process in the functionality of these devices, so that the stability and the dynamic properties of charge carriers in this materiais are directly linked to the devices performance. The understanding about how it occurs and what are the factors that influence the stability and consequently the dynamics of the charge carriers is a significant challenge in the study of these materiais. In this sense, organic molecular crystals, especially oligoacenes, have shown to be promising materiais in the advance of organic electronics. Organic semiconductors, in their pure State, are insulators and rely on doping processes to become semiconductors. From these doping processes, the formation of charge carriers is induced, being one of the most common: the polaron, where the addition or subtraction of an electron locally polarises the crystal, deforming the lattice where it is, so that the charge and the defor- mations of the lattice are coupled. In this work, the stability and dynamics of polarons in oligoacenes are numerically investigated under influence of externai electric field, anisotropy, disorder and temperature. The main objective of this work is to study the stability and dynamics of polarons in one- and two-dimensional crystals of naphtha- lene, anthracene, pentacene, tetracene, and rubrene. For this study, a semi-empirical approach was used that take into account the intra and intermolecular interactions, named Holstein-Peierls model. The results obtained suggest, among other conclusions, that the polaron has its localization affected depending on the anisotropy degree, but it is still stable. Moreover, it was obtained that the polaron dynamics occurs, according to this model, only in anisotropic Systems, under the influence of externai electric field. The stability also decreases with increasing disorder in the system, which simulates impurities and defects in materiais. The stability of the carrier during the dynamics is also substantially affected with increasing temperature

Topics: Semicondutores orgânicos, Transporte de carga, Cristais moleculares, Dinâmica de pólarons
Year: 2018
OAI identifier: oai:repositorio.unb.br:10482/35135

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