Síntesis de nuevos sistemas poliheteroaromáticos autoensamblables y estudio de la relación estructura-propiedad en el contexto de la electrónica orgánica

Resumen

Resumen La Electrónica Orgánica ha surgido como un área de investigación multidisciplinar dedicada al estudio y desarrollo de materiales semiconductores orgánicos, así como de una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos fabricados con dichos materiales, con la finalidad de ofrecer una potencial alternativa a la tecnología basada en los semiconductores inorgánicos tradicionales. La utilización de materiales de naturaleza orgánica para la fabricación de dispositivos electrónicos aporta propiedades muy atractivas para la industria, como son la ligereza y flexibilidad del producto final a un coste reducido. Dentro de este campo, destacan los transistores orgánicos de efecto campo (OFETs), los diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs) y las células solares orgánicas (OSCs), entre otros. Aunque los semiconductores orgánicos ofrecen la ventaja de poder modular las propiedades físico-químicas del material adaptando la metodología de síntesis, el transporte de carga eléctrica es una característica que todavía necesita ser optimizada. Este hándicap es debido a su naturaleza de sólidos moleculares, cuya estructuración está gobernada por interacciones no covalentes débiles, principalmente interacciones - , que dificultan la formación de dominios amplios con un elevado grado de orden, repercutiendo negativamente sobre el desplazamiento de las cargas eléctricas. Así pues, esta Tesis Doctoral plantea como objetivo la síntesis de sistemas poliheteroaromáticos que sean capaces de autoensamblarse con interacciones de mayor energía, como los enlaces de hidrógeno, para inducir un mayor grado de ordenamiento en estado sólido. Para ello, se recurre a la integración de centros dadores y aceptores de enlaces de hidrógeno en el propio esqueleto -conjugado, a través de la condensación de unidades de 7-azaindol con diversos espaciadores aromáticos (benceno, naftaleno, antraceno y pireno). Así, se ha sintetizado una serie de moléculas con la que se ha evaluado la relación de aspectos estructurales como la isomería, la extensión de la superficie -conjugada, o la capacidad para establecer un proceso de autoensamblaje, con propiedades como el empaquetamiento cristalino, la estructura electrónica y la calidad del transporte de huecos. El Capítulo 1 hace una introducción al transporte de carga en materiales orgánicos y presenta una selección de antecedentes sobre semiconductores orgánicos autoensamblados mediante enlaces de hidrógeno. El Capítulo 2 detalla los protocolos sintéticos puestos a punto para la preparación de los sistemas poliheteroaromáticos autoensamblables y sus análogos no autoensamblables, así como su caracterización estructural, térmica, óptica y electroquímica, complementada por cálculos computacionales DFT. El Capítulo 3 discute las propiedades transportadoras de carga de las moléculas sintetizadas, tanto desde un aspecto teórico como experimental, utilizando las mismas como materiales semiconductores para la fabricación de OFETs. Asimismo, también se realiza un estudio sobre el efecto del autoensamblaje, o la ausencia del mismo, en las prestaciones de transistores de película delgada, mediante la comparación de dos compuestos análogos basados en un espaciador central de antraceno. El Capítulo 4 muestra los resultados correspondientes a la evaluación de los materiales moleculares autoensamblables como capas transportadoras de huecos en células solares de perovskita con arquitectura convencional (n-i-p) o invertida (p-i-n), así como en células solares de perovskita híbrida Pb-Sn. El Capítulo 5 presenta la adaptación de la estrategia sintética desarrollada en esta Tesis para preparar una molécula conjugada tripodal autoensamblable, con simetría C3h. Estas características hacen extensivo el objetivo de esta Tesis al desarrollo de materiales bidimensionales, discutiendo los resultados del autoensamblaje superficial sobre Au(111) obtenidos mediante experimentos de LEED, STM y cálculos computacionales. Por último, la Memoria se completa con las conclusiones generales derivadas de esta Tesis