Teoria de processos em materiais orgânicos e biológicos

Abstract

Os processos electrónicos de injecção, transferência e recombinação de carga em materiais orgânicos e biológicos são muito importantes, quer em contextos tecnológicos quer em contextos biológicos. No entanto, estes processos são ainda pouco conhecidos, o que limita a nossa capacidade de compreender o funcionamento desses sistemas. Neste trabalho é apresentado um estudo teórico, às escalas atomística e mesoscópica, sobre alguns processos que ocorrem em materiais orgânicos e biológicos electroactivos, com potencialidades de aplicação em dispositivos moleculares como, por exemplo, díodos, transístores e actuadores. Os processos intramoleculares, relacionados com a injecção e transferência de carga em moléculas orgânicas conjugadas (com ou sem polimerização) e biológicas, a electroluminescência em moléculas poliméricas conjugadas e os efeitos de aplicação de campos eléctricos e/ou deformações mecânicas em moléculas poliméricas piezoeléctricas, foram estudados usando um método de dinâmica molecular quântica autocoerente. Os resultados obtidos, a nível atomístico, permitiram não só explicar alguns resultados experimentais publicados na literatura, mas também forneceram informações sobre as propriedades moleculares destes materiais, que são necessárias para uma descrição do seu comportamento à escala mesoscópica e impossíveis de obter experimentalmente. Os efeitos das propriedades moleculares e do arranjo espacial das moléculas no transporte de carga bipolar em díodos poliméricos semicondutores foram estudados utilizando modelos à escala mesoscópica, que incluem os resultados atomísticos relacionados com o transporte intramolecular e intermolecular de electrões e lacunas. Estes estudos permitiram identificar a influência das propriedades moleculares e da orientação das moléculas no funcionamento de díodos poliméricos electroluminescentes, bem como sugerir estratégias para o aumento da eficiência destes dispositivos.

Electronic processes such as charge injection, transfer and recombination are very important in both biological and technological contexts. Despite their importance, many of these processes in organic and biological materials are not well understood. In this work a theoretical study is presented, both at atomistic and mesoscopic scale, concerning some processes that occur in electroactive organic and biological materials, which have the potential to be applied in molecular devices such as diodes, transistors and actuators. The intramolecular processes, related with charge injection and transfer through biological and conjugated organic molecules (with and without polymerization), electroluminescence in conjugated polymeric molecules and the effect of applied electric fields and/or mechanical stretching on piezoelectric polymeric molecules, were studied using a self-consistent quantum molecular dynamics method. The results obtained, at atomistic level, allowed not only to explain some experimental results published in the literature but also provided information concerning the molecular properties of these materials, that are needed for a description of their behaviour at mesoscopic scale and are impossible to obtain experimentally. The effects of molecular properties and the spatial molecular arrangements on bipolar charge transport through semiconducting polymer diodes were studied using mesoscopic models, taking into account the atomistic results concerning both intramolecular and intermolecular transport of electrons and holes. These studies allowed us to identify the influence of molecular properties and molecular alignment on the functioning of electroluminescent polymer diodes, as well as to suggest viable strategies to improve the efficiency of these devices.