Un equipo de investigadores de Rusia, Alemania, y Francia, con científicos de materiales del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, ha investigado cómo las propiedades eléctricas de las películas delgadas de dihexil-cuartertiofeno dependen de su estructura. Este material es un semiconductor orgánico con perspectivas de electrónica flexible.

Una vez que las películas delgadas se someten a una transición del cristal al estado de cristal líquido, pierden algo de su conductividad eléctrica. El equipo también descubrió una "tercera fase" que no ocurre en el material a granel y corresponde a una capa monomolecular del semiconductor. Esta estructura podría ser favorable para el transporte de carga a través de las películas. con posibles implicaciones para el diseño de microelectrónica. Los resultados de la investigación se publicaron en Cartas de investigación a nanoescala .

Los oligotiofenos son semiconductores orgánicos prometedores. Sus moléculas en forma de varilla pueden orientarse en la superficie sobre la que se han depositado, acumulando ciclos de hidrocarburos que contienen un átomo de azufre conocido como tiofenos, como pilas de monedas. Los "bordes de las monedas" en las pilas vecinas forman un patrón de espina de pescado. Esta disposición molecular permite la transferencia de carga de una molécula a la otra.

A medida que aumenta el número de tiofenos en la molécula, también lo hace la conductividad eléctrica, a costa de la solubilidad del compuesto. El número óptimo de estos restos denominados tiofeno es cuatro. Para aumentar la solubilidad, Los fragmentos de hexilo se injertan en los extremos del fragmento molecular conjugado (fig. 1).

Los investigadores disolvieron y evaporaron dihexil-cuartertiofeno (DH4T) en un reactor de vacío y depositaron el material como películas delgadas sobre un sustrato de silicio. Continuaron estudiando la estructura cristalina de las muestras utilizando difracción de rayos X de incidencia rasante. Esta técnica implica exponer una película a rayos X en un ángulo de mirada muy pequeño para maximizar la distancia que recorre el haz de rayos X en la película. sufriendo numerosas reflexiones. De lo contrario, la señal de la película delgada sería demasiado débil para distinguirse de la señal del sustrato. Las medidas de difracción permitieron al equipo identificar la disposición molecular en el material depositado sobre el sustrato.

Inicialmente, DH4T era muy cristalino. Sus moléculas formaron un patrón de espina de pescado y se colocaron casi perpendiculares al sustrato. Sin embargo, una vez calentado a 85 grados Celsius, el material experimentó una transición de fase:la disposición molecular cambió, formando una fase de cristal líquido, y la conductividad eléctrica de las películas disminuyó.

La muestra se calentó adicionalmente a 130ºC y posteriormente se enfrió a temperatura ambiente. Esto restauró en parte la cristalinidad del material, y por tanto conductividad.

Durante el transcurso de la calefacción, surgió una tercera estructura en el perfil de difracción de rayos X, indicado por máximos de difracción débiles que no corresponden a la fase de cristal líquido. Investigaciones anteriores han correlacionado tales máximos con monocapas de compuestos como DH4T. Curiosamente, esta "tercera fase" también se observó a 70 C.

La estructura de la monocapa descubierta por el equipo es favorable para el transporte de carga a lo largo del plano de la película, haciéndolo importante para aplicaciones de electrónica flexible. Aparte de eso, la fase recién observada también podría ocurrir en las películas delgadas de otros compuestos cuya estructura es similar a la de DH4T. Estos materiales se utilizan en microelectrónica. Dado que la carga se transfiere predominantemente en una capa muy delgada cerca del sustrato, Los hallazgos de los investigadores apuntan a la necesidad de considerar cómo la nanoestructura del material afecta su conductividad.

El profesor Dimitri Ivanov dirige el Laboratorio de Materiales Híbridos y Orgánicos Funcionales en MIPT y también es el director de investigación en el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS). Fue coautor del estudio que se informa en esta historia y comentó sus hallazgos:"Usando métodos in situ, como el análisis estructural, y al mismo tiempo, medir las propiedades eléctricas de la muestra nos permite comprender mejor la naturaleza de las complejas transiciones de fase en el material y evaluar su potencial para aplicaciones prácticas en electrónica orgánica ".