Nanostructuring of soft matter for organic electronics

Resumen

Uno de los retos a los que se enfrenta actualmente la ciencia de los materiales consiste en aglutinar la ligereza, la flexibilidad y facilidad de procesado de los materiales poliméricos con las propiedades eléctricas como conductividad y ferroelectricidad, que presentan algunos de estos materiales, en forma de dispositivos electrónicos efectivos y rentables. Los dispositivos fabricados con materiales orgánicos suelen presentar eficiencias más bajas que aquellos basados en silicio debido, entre otros motivos, a una movilidad electrónica menor provocada por una nanoestructura irregular. Los polímeros presentan estructuras jerárquicas, desde la escala nanométrica hasta cientos de micras, que pueden influir considerablemente en las propiedades funcionales de estos materiales, modificando de esta forma la eficiencia final del dispositivo electrónico que se quiera construir. Para la optimización final de dispositivos electrónicos orgánicos, es necesario tanto el control sobre la modificación de la estructura de los polímeros como un estudio de cómo esta modificación afecta a la funcionalidad. Además, la nanoestructuración de estos materiales permite la fabricación de dispositivos miniaturizados, manteniendo las propiedades funcionales bajo la aplicación de un voltaje mínimo. En esta Tesis se han fabricado diferentes sistemas nanoestructurados basados en materiales orgánicos, generalmente polímeros conductores de la electricidad o ferroeléctricos y se han caracterizado posteriormente sus propiedades estructurales y/o funcionales. La nanoestructuración se ha llevado a cabo en forma de películas delgadas con espesores del orden de decenas de nanómetros, en forma de gratings superficiales generados por irradiación láser y litografía de nanoimpresión, y en forma de nanopartículas dispersadas en agua. Se han fabricado sistemas multicapa compuestos de películas delgadas del copolímero ferroeléctrico poli(fluoruro de vinilideno-trifluoroetileno) (P(VDF-TrFE)) depositadas sobre películas delgadas del polímero semiconductor poli(3-hexiltiofeno) (P3HT). Para fabricar estas películas delgadas, se ha empleado la técnica de spin-coating, o recubrimiento por giro. Esta técnica se ha usado también para fabricar películas de poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(estireno-sulfonato) (PEDOT:PSS) dispersado en agua y añadiendo aditivos que incrementan su conductividad. Asimismo, también se han fabricado películas de PEDOT:PSS mediante impresión por inyección de tinta (ink-jet); una técnica que, a diferencia del spin-coating, permite controlar espacialmente la arquitectura de las películas. La nanoestructuración de superficies funcionales es de gran interés para la industria. En esta Tesis se han modificado, mediante irradiación con láser pulsado de nanosegundos, superficies de películas delgadas de varios polímeros y un derivado del fulereno con propiedades semiconductoras. También se ha empleado la técnica de litografía de nanoimpresión para nanoestructurar películas de PEDOT:PSS, al que se ha añadido glicerol como agente plastificante con el objetivo de permitir esta modificación. Las nanopartículas de polímero, por otro lado, se pueden usar para una gran cantidad de aplicaciones. En esta Tesis se han fabricado nanopartículas de polímero semiconductor (P3HT) o ferroeléctrico (polifluoruro de vinilideno (PVDF) y P(VDF-TrFE)) mediante métodos de desplazamiento de disolventes que, partiendo de una buena disolución, consiguen generar una dispersión estable en agua del polímero en cuestión. En resumen, se han fabricado nanoestructuras de materiales orgánicos con propiedades semiconductoras y ferroeléctricas y se han estudiado las mismas tanto desde un punto de visto fundamental como funcional, ante la perspectiva de sus potenciales aplicaciones como materiales activos en dispositivos electrónicos.