Nanoscale morphology and structure of organic donor-acceptor heterojunctions

Abstract

El esfuerzo científico dedicado a la electrónica orgánica en las últimas décadas ha dado lugar a impresionantes avances en este campo. A pesar de estos logros, el gran potencial que los semiconductores orgánicos (OSC) ofrecen está aún lejos de ser explotado en su totalidad. Entre los aspectos más cruciales que determinan el funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos orgánicos, se encuentra el control de la morfología de las capas activas y sus interfaces. La funcionalidad de cada una de las capas orgánicas que componen el dispositivo, depende íntimamente de cómo las moléculas se disponen, ordenan y orientan en la película. En consecuencia, la caracterización de las propiedades morfológicas y estructurales de las películas de OSC a escala nanométrica es esencial para comprender y optimizar los mecanismos fundamentales que operan en el dispositivo final.

En este sentido, el trabajo de esta tesis doctoral ha abordado dos ramas de la electrónica orgánica que actualmente son objeto de un profundo debate en el campo: el dopaje molecular y el fotovoltaico orgánico (OPV). La combinación de técnicas de caracterización de alta resolución espacial y de estudios in-situ durante el crecimiento han permitido correlacionar las propriedades morfológicas y estructurales de las películas orgánicas investigadas con sus propiedades electrónicas y con el rendimiento en dispositivos.

La primera parte del trabajo se centró en el dopaje de películas delgadas de pentaceno (PEN) con C60F48. Se realizó una caracterización sistemática de la heterounión plana formada al evaporar C60F48 sobre PEN. Un estudio detallado de microscopía de fuerza atómica (AFM), complementado por microscopía de emisión de fotoelectrones de rayos x (XPEEM) demostró la influencia que la morfología de las películas de PEN tiene en el crecimiento del C60F48 y en la morfología de la interfase, con importantes repercusiones en la heterogeneidad función de trabajo local de la superficie. El empleo de espectroscopia de fotoemisión (PES) permitió construir el diagrama de los niveles de energía de la interfase formada debido a procesos de transferencia de carga. Además se demostró que la deposición de C60F48 sobre pentaceno mejora de las características eléctricas un transistor de efecto de campo orgánico (OFET) basado en PEN. Finalmente, esta parte de la tesis fue completada con una caracterización de la estructura de heterouniones con diferentes arquitecturas de interés en relación con el dopaje molecular. Mediante difracción de rayos x con incidencia rasante (GIXD), se demostró diferencias estructurales sustanciales en función del diseño de la heterounión.

La investigación de la segunda parte de la tesis tuvo como objetivo desentrañar la relación morfología-rendimiento en dispositivos OPV basados en aceptores no fullerénicos (NFA) durante un protocolo de optimización basado en el calentamiento térmico. En concreto, se realizó un estudio comparativo de dos NFAs que sólo difieren en el diseño de las cadenas laterales. La evolución de la estructura de los NFAs en función del calentamiento se investigó in-situ mediante difracción de rayos x con incidencia rasante (GIWAXS) y puso en relieve el impacto de las cadenas sobre la estructura cristalina del NFA y su evolución con la temperatura. Los resultados presentados permiten entender el impacto que el diferente comportamiento termotrópico de los dos NFA tiene sobre la eficiencia fotovoltaica de los dispositivos, destacando el importante papel que juega el polimorfismo en esta clase de sistemas.