Los dispositivos orgánicos con monocristales capaces de efectuar operaciones lógicas están más cerca de ser realidad
La electrónica orgánica podría revolucionar la tecnología a través de su alta rentabilidad, versatilidad y peso ligero en comparación con la electrónica convencional. Los componentes electrónicos orgánicos, fabricados con materiales ampliamente disponibles y menos tóxicos, son ideales para aplicaciones que requieren flexibilidad y adaptarse a grandes áreas. Los materiales orgánicos pueden utilizarse como tintas conductoras para imprimir circuitos electrónicos con bajo coste. Los diodos orgánicos emisores de luz (OLED), los transistores orgánicos de efecto campo (OFET) y las celdas fotovoltaicas orgánicas son, hasta la fecha, los mayores éxitos obtenidos en este ámbito. El transporte de cargas es un concepto importante para describir los principios funcionales y el rendimiento de los semiconductores orgánicos. Dependiendo de si la mayoría de los portadores de carga del cristal son huecos positivos o electrones negativos, los semiconductores se clasifican como de tipo p o n, respectivamente. El uso de semiconductores de tipo p y n ha demostrado ser beneficioso para los dispositivos lógicos complementarios que se incluyen en circuitos electrónicos. En el proyecto PARADA se demostró satisfactoriamente el crecimiento de franjas monocristalinas paralelas de semiconductores de tipo p y n en un intento de fabricar transistores monocristalinos capaces de llevar a cabo operaciones lógicas. Los dispositivos electrónicos que incluyen transistores monocristalinos presentan propiedades muy deseables: alta movilidad de los portadores de carga, baja concentración de defectos y gran estabilidad funcional. En el proyecto, financiado por el programa Marie Skłodowska-Curie, se demostraron innovaciones en varios frentes.
Cultivar cristales de mezclas de semiconductores
El cultivo de semiconductores orgánicos como monocristales capaces de transportar electrones o huecos no es nuevo. Por ejemplo, el proceso de fabricación de OFET requiere depositar y diseñar por separado dos materiales semiconductores diferentes, uno para cada tipo de transistor. Para este proceso, es necesario seleccionar los semiconductores más adecuados en cuanto a tamaño y forma. Además, los semiconductores de tipo n y p deben mostrar propiedades electrónicas comparables. En conjunto, es un proceso laborioso y casi artesanal. Los semiconductores que ofrecen un transporte de carga ambipolar podrían contribuir en gran medida a resolver estas complicaciones. El concepto implica inyectar y transportar electrones y huecos en una misma capa semiconductora. PARADA se centró en el procesamiento de semiconductores de tipo p y n mediante un método de fabricación de película delgada eficiente y sin disolventes. «Aunque ha habido muchísimas actividades de investigación en torno a la cristalización direccional de semiconductores orgánicos de película delgada cultivados a partir de una fusión, se ha obviado por completo el cultivo de cristales de mezclas de semiconductores. En PARADA se ha demostrado satisfactoriamente que el cultivo de cristales direccionales de mezclas de semiconductores puede ampliarse a los semiconductores orgánicos», señala Guangfeng Liu, el investigador encargado de coordinar PARADA. Controlar la separación de fases en la mezcla donador-aceptor de los semiconductores orgánicos y el gradiente de temperatura tuvo un impacto pronunciado en la tasa de crecimiento de los cristales. Los investigadores estudiaron a fondo los estados cristalino y de fusión de semiconductores orgánicos por calorimetría y cristalografía de rayos X para hallar la combinación óptima de semiconductores de tipo p y n. En su esfuerzo por obtener franjas paralelas de semiconductores de tipo p y n sobre sustratos de vidrio, se encontraron con un problema inesperado: la formación de grietas en los monocristales. Para solucionarlo, recubrieron sustratos de vidrio rígidos con una capa dieléctrica de goma blanda.
La próxima generación de la electrónica de alto rendimiento, flexible e impresa
La fabricación y caracterización de OFET sobre la base de películas cristalinas preparadas no ha podido completarse debido a la pandemia de COVID-19. «Los resultados de PARADA podrían dar un nuevo impulso al campo de los semiconductores orgánicos con vistas a utilizarlos en dispositivos que llevan a cabo operaciones lógicas. Los OFET permiten fabricar dispositivos electrónicos económicos y flexibles, como pantallas planas, tarjetas de identificación por radiofrecuencia y pieles electrónicas. Estos dispositivos precisan el desarrollo urgente de circuitos lógicos complementarios para consumir menos energía», concluye Liu.
Palabras clave
PARADA, semiconductores orgánicos, OFET, semiconductores de tipo n, operaciones lógicas, monocristal, electrónica orgánica, transistor orgánico de efecto campo
