Cristais líquidos alinhados como nanofios semicondutores

Abstract

Dispositivos eletrônicos de geração de luz e energia baseados em materiais semicondutores orgânicos há décadas são desenvolvidos e aprimorados, como uma alternativa aos semicondutores inorgânicos, por sua facilidade e baixo custo de processamento juntamente com a possibilidade de aplicação sobre substratos flexíveis e transparentes. Células solares e diodos emissores de luz orgânica não podem atingir eficiência e mobilidade de cargas dos inorgânicos, mas são constituídos de materiais extremamente versáteis. Cristais líquidos (CLs) são materiais orgânicos que combinam a ordem em longo alcance de um sólido cristalino e a fluidez de um líquido, e com isso uma alta tendência à auto-organização quando submetidos a determinados estímulos externos. São constituídas por moléculas anisométricas e apresentam anisotropia quanto às propriedades físicas. Em especial, cristais líquidos discóticos no estado sólido estão sujeitos a interações intermoleculares de curto alcance e com relação ao substrato. Podem adquirir um estado de equilíbrio com sobreposição dos orbitais p de centros conjugados adjacentes, desse modo formando estruturas colunas que guiam o fluxo de corrente elétrica unidimensionalmente entre os eletrodos do dispositivo, operando como nanofios. A orientação das colunas com relação à superfície caracteriza o tipo de alinhamento majoritariamente presente: homeotrópico, se perpendiculares; planar uniaxial, se paralelamente ao substrato ou planar degenerado, se sem orientação preferencial em longo alcance. Dispositivos em estrutura de diodo se beneficiam do alinhamento homeotrópico da camada líquido-cristalina para facilitar a injeção de cargas através dos eletrodos e o transporte através do volume, assim lapidando suas propriedades ópticas e semicondutoras. Neste trabalho, dois cristais líquidos discóticos de mesofase colunar hexagonal são submetidos a um método de alinhamento, inspirado na literatura, que combina os efeitos de confinamento do filme entre duas superfícies e a aplicação de temperatura. Os materiais foram processados ??via solução em solvente orgânico e depositados por spin-coating, formando filmes finos inicialmente desordenados. A camada confinante é polimérica e sacrificial, ou seja, pode ser removida assim que conquistado o alinhamento do filme de CL e isso contribui para a preservação do dispositivo metálico de alumínio no pois evita sua manipulação e formação de óxidos pela exposição à atmosfera ambiente e alta temperatura. O procedimento foi adaptado pelo autor, ao processar os materiais de maneira inédita, e com eficácia comprovada foi definido como padrão para o alinhamento de CLs colunares em seu grupo de pesquisa. Por medidas experimentais de difração de raios X (DRX), microscopia óptica de luz polarizada (MOLP), microscopia de força atômica (AFM), espectroscopia de absorção UV-Vis e fotoluminescência estacionária e resolvida no tempo, o efeito do alinhamento homeotrópico foi característico para ambos os materiais.

Abstract: As an alternative to the role of inorganic semiconductors in electronic devices, organic materials have been widely investigated for scientific research and development, besides industrial applications, by its simple and low-cost processing methods that also permits using transparent and flexible substrates. Organic solar cells and light emitting diodes may not be as efficient in power conversion or have as high charge mobility as the inorganic ones but are based on highly versatile materials. Liquid crystals (LCs) present semiconducting properties under electrical or radiation-driven excitation processes and compose good mobility and efficiency optoelectronic devices. Its most prominent features are the self-assembly and fluidity that may reorient and heal lattice defects at certain conditions. In particular, discotic liquid crystals present a p-overlapping between the orbitals of adjacent molecules in columnar structures, through which a one-dimensional charge transport might be established. The columnar systems may present a planar or homeotropic alignment as oriented parallel or perpendicularly to the substrate, respectively. Besides, intermediate degenerate orientations might be observed in polycrystalline or amorphous solids. Such alignment is tunable and strongly depends on the chemical structure of each mesogen, as well as interactions with the vicinity and interface behavior. An organic field effect transistor requires the active layer to be planarly oriented. On the other hand, a well-established homeotropic alignment favors charge injection and current transport between the electrodes in light emitting diodes and organic solar cells. In this work we investigate the unveiling of a homeotropic alignment over thin films of two columnar liquid crystals. The procedure to establish homeotropic alignment consists of confining the liquid crystal film by a sacrificial polymeric layer (which is removed after the procedure) and thermal annealing. It can be evaluated by polarized light optical microscopy (POM), X-ray diffraction (XRD) measurements and by its influence over light absorption, emission and electric conduction (on a diode structure). Both LCs are derived from the aromatic center benzoperilene diimide and exhibit hexagonal columnar mesophase at room temperature. On thick films analyzed by MOLP, both materials seem to indicate their preference for a planar alignment. The thin films were produced by spin-coating from chloroform solutions and subjected to characterization by atomic force microscopy (AFM), DRX, UV-Vis absorption spectroscopy and stationary photoluminescence and resolved in time, in addition to electrical measurements (??×??) before and after homeotropic alignment, which remained stable at room temperature and even after the sacrificial layer removal. It confirmed the reproducibility of the method that significantly enhanced the optical and electrical properties of both materials.