65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 7. Física Geral

ESTUDO COMPARATIVO DAS PROPRIEDADES ESTRUTURAIS E ELETRÔNICAS DO DNTT E DNSS UTILIZANDO MÉTODOS DE PRIMEIROS PRINCÍPIOS.

Jadson Xavier Cantuaria - Acadêmico do Curso de Licenciatura em Física - UFT R. Lelis-Sousa - Prof. Dra./ Orientador - do curso de licenciatura em Física - UFT

INTRODUÇÃO:

Nos últimos anos, a eletrônica orgânica tem despertado grande interesse devido à algumas características interessantes. Filmes orgânicos constituídos por polímeros semicondutores conjugados têm sido aplicados com sucesso na produção de OFETs (Organic Field-Effect Transistor), células fotovoltaicas e OLEDs (Organic Light-Emitting Diode). Pentaceno, tiofeno e seus derivados estão entre os materiais mais utilizados, devido aos altos valores de mobilidade de portadores de carga, possibilitando a produção de dispositivos mais eficientes. Todavia, a baixa estabilidade em ar dos dispositivos tem sido um desafio para aplicações tecnológicas. Várias estratégias estão sendo desenvolvidas para se aumentar a desempenho e a estabilidade dos dispositivos orgânicos. Recentemente foi relatada a síntese de dois novos semicondutores com altos valores de mobilidade de buracos e excelente estabilidade em ar: o DNTT (dinafto[2,3-b:2′ ,3′ -f ]thieno[3,2-b ]-tiofeno) e o DNSS (dinafto[2,3-b:2′ ,3′ -f]thieno[3,2-b]-selofeno). O DNSS é isoestrutural do DNTT e ambos são tienoacenos. OFETs produzidos com estes materiais têm alcançado altos valores de mobilidade e estabilidade em ambiente.

OBJETIVO DO TRABALHO:

O objetivo deste estudo é investigar, do ponto de vista teórico, as propriedades estruturais e eletrônicas dos cristais de DNTT e DNSS. A caracterização eletrônica fornece informações importantes sobre mobilidade de portadores de carga e sua relação com a estrutura dos cristais. Este entendimento é crucial para podermos projetar computacionalmente semicondutores que atendam nossas necessidades.

MÉTODOS:

Para estudo dos cristais de DNTT e DNSS, utilizamos o código computacional de domínio público Quantum-Espresso (PWSCF) e o método de primeiros princípios baseado na teoria do funcional da densidade (DFT) com funcionais de troca e correlação LDA-PZ e GGA-PBE. As interações entre os elétrons de caroço e o núcleo atômico são representadas por pseudopotenciais ultrasuaves A energia de corte das ondas planas foi fixada em 40 Ry enquanto o corte da densidade de carga era de 400 Ry. O critério de convergência do processo de auto consistência foi de 1x10-8 Ry e nos cálculos de otimização de geometria, o critério de convergência das forças interatômicas foi de 1x10-4 Ry.Bohr-1. Para simulação dos cristais orgânicos aqui investigados, realizamos relaxações estruturais mantendo a célula unitária fixa. Os parâmetros de rede da célula monoclínica foram obtidos através de dados de raios-X . Ainda não foi possível otimizarmos os valores de a, b, e c, uma vez que para estes materiais, a interação de longo-alcance, que não está incluída na DFT-padrão, é fundamental para a correta descrição destes sistemas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Da análise das propriedades estruturais, foi observado que a troca do S pelo Se não tem influência significativa nos valores interatômicos entre os átomos de carbono dos grupos acenos. Em relação às distâncias entre as cadeias não equivalentes na célula unitária, observamos que tanto o DNTT quanto o DNSS, os menores valores estão nas regiões de empacotamento Herringbone e Pi-stack, respectivamente. Comparando estas distâncias intercadeias, nossos resultados mostram que apesar do empacotamento cristalino do DNTT e do DNSS ser do tipo herringbone, a direção de Pi-Stack tem papel importante para as propriedades eletrônicas destes semicondutores. Na análise da estrutura de bandas, foi constatado valores expressivos de dispersão em várias linhas de alta-simetria da zona de Brillouin de ambos os cristais. Além disso, identificamos que a interação entre as moléculas não equivalentes é forte, uma vez que foram identificados valores expressivos de “desdobramentos” (ou splittings) entre as bandas de valência (a mais alta banda ocupada e a banda ocupada imediatamente abaixo desta) e as bandas de condução (a mais baixa banda desocupada e a banda ocupada imediatamente acima desta).

CONCLUSÕES:

Investigamos, utilizando métodos de primeiros princípios, as propriedades estruturais e eletrônicas de dois semicondutores orgânicos sintetizados recentemente: DNTT e DNSS. Nossos resultados mostram que o empacotamento cristalino destes semicondutores tem influência decisiva sobre os excelentes valores de mobilidade de portadores de cargas observados experimentalmente. Os elevados valores de dispersão das bandas de energia na região do gap corroboram esta caracterísitca. Outro ponto decisivo para o bom desempenho destes semicondutores como camada ativa em dispositivos é a existência de forte interação entre as cadeias adjacentes não equivalentes dentro da célula unitária, evidenciada pelos elevados valores de “desdobramentos” (ou splittings) entre os estados mais altos ocupados e mais baixos desocupados. Em alguns casos, o DNSS exibe valores de dispersão maiores que aqueles obtidos para o DNTT.

Palavras-chave: Cristais Orgânicos, DNTT e DNSS, DFT.