65ª Reunião Anual da SBPC

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

ESTUDO DE PRIMEIROS PRINCÍPIOS COMPARATIVOS DAS PROPRIEDADES ESTRUTURAIS E ELETRÔNICAS DO DATT E PENTACENO.

Lucylia Trindade de Sousa - Universidade Federal do Tocantins Regina Lélis-Sousa - Universidade Federal do Tocantins

INTRODUÇÃO:

Sistemas orgânicos conjugados semicondutores têm sido extensivamente investigados devido a possibilidade de aplicações em dispositivos eletrônicos, tais como LEDS (dispositivos emissores de luz), células fotovoltaicas, transistores (OFETs) ou sensores.A produção de dispositivos eficientes está diretamente relacionada à alta mobilidade de portadores de carga e também à estabilidade em atmosfera da camada ativa orgânica. Nos últimos anos, o pentaceno tem se destacado como camada ativa em OFETs por apresentar valores elevados de mobilidade de portadores. Entretanto, a rápida degradação em atmosfera tem inviabilizado o funcionamento dos dispositivos. Para solucionar tais questões, uma das estratégias tem sido a síntese de novos materiais que sejam eficientes no tranporte de portadores de carga, mas também sejam resistentes à degradação em ambiente. Recentemente foi relatada a síntese de um novo semicondutor orgânico, o DATT (diantra[2,3-b :2',3'-f] tieno[3,2-b]tiofeno). O DATT é um tienoaceno facilmente sintetizável, estável e com altos valores de mobilidade, possibilitando a construção de dispositivos com excelente performance. Com o uso deste material como camada ativa, obteve-se OFETs com valores de mobilidade linear nunca antes alcançados.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Neste trabalho temos realizamos a investigação teórica das propriedades estruturais e eletrônicas do DATT e pentaceno. A obtenção da estrutura eletrônica destes semicondutores orgânicos conjugados e a comparação entre elas deve fornecer informações importantes para o entendimento do excelente desempenho do DATT como camada ativa em dispositivos.

MÉTODOS:

A investigação da estrutura cristalina do DATT e pentaceno foi realizada com um método de primeiros princípios baseado na Teoria Funcional da Densidade (DFT), utilzando o código computacional de domínio público Quantum-Espresso (PWSCF). Empregamos os funcionais de troca e correlação LDA-PZ e GGA-PBE e modelamos as interações entre os elétrons de caroço e o núcleo atômico com 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. Em todos os cálculos de otimização de geometria, os parâmetros de rede da célula unitária foram fixados nos valores obtidos experimentalmente por estudos cristalográficos. 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:

O DATT é um tienoaceno cuja estrutura molecular é formada pela fusão de antraceno e por dois anéis de tiofenos “fundidos” entre si. Nossos resultados mostram que os comprimentos de ligação C – C nos grupos acenos do DATT são similares aos obtidos para o pentaceno. Ou seja, a presença de heterocíclicos no DATT não produz variações significativas nas distâncias interatômicas do aceno. O empacotamento cristalino de ambos os semicondutores é do tipo “herringbone”, entretanto, devido ao arranjo das cadeias adjacentes, identificamos regiões do cristal onde empacotamento do tipo Pi-stack ocorre. Constatamos que as distâncias entre cadeias são sempre menores para o DATT quando comparadas com o pentaceno. Este tipo de arranjo estrutural tem importante influência na estrutura eletrônica. A análise da estrutura de bandas do DATT e do pentaceno revelam que a dispersão de energia é alta para ambos os materiais. Entretanto, para o DATT, a dispersão está mais uniformente espalhada nas linhas de alta-simetria e não tão concentrada quanto no pentaceno. Outro fator importante é que as moléculas não equivalentes têm forte interação, o que se expressa através dos valores expressivos de “desdobramentos” (splittings) entre as duas mais altas bandas de valência e de duas mais baixas bandas condução.

CONCLUSÕES:

Neste trabalho realizamos uma investigação das propriedades estruturais e eletrônicas do DATT, um semicondutor orgânico recentemente sintetizado, cujos filmes exibem valores surpreendentes de mobilidade de portadores de carga além da estabilidade em ar. Comparando as estruturas de banda deste material com a do pentaceno, observamos que o DATT assim como o pentaceno, exibe elevados valores de dispersão das bandas de energia na região do gap. Entretanto, para o DATT a dispersão está mais uniformente distribuida se comparada ao pentaceno. Adicionalmente, também identificamos que a interação entre as cadeia adjacentes é alta para ambos os materiais, mas está mais concentrada no cristais de pentaceno. Vários parâmetros estruturais e eletrônicos influenciam o bom desempenho de um material orgânico como camada ativa. O problema a ser investigado é muito difícil e, em geral, a análise das propriedades eletrônicas de cristais não pode explicar totalmente os fenômenos de transporte de portadores de carga. Entretanto, importantes conclusões podem ser obtidas através da estrutura de bandas. E, com base em nossos resultados, podemos afirmar que as características identificadas corroboram com o melhor desempenho dos dispositivos tendo como camada ativa o DATT.

Palavras-chave: Cristais Orgânicos, Pentaceno e DATT, DFT.