Electrónica Orgánica

Este post participa en el la 1ª Edición del Carnaval de Tecnología albergado por lavacaesférica.

En este post trataré de hacer una pequeña introducción a la electrónica orgánica, su historia, su presente y su futuro.

Nuestra vida cambió radicalmente un día antes de la nochebuena de 1947, seguramente los responsables no lo sabían pero el cambio y el invento tecnológico que marcó el devenir de la historia se creó en los laboratorios Bell, con la creación del transistor, pero ¿de verdad en electrónica no ha habido nada después?

¿Seguimos cumpliendo la Ley de Moore?, ¿Podremos seguir cumpliendo la Ley de Moore durante muchos años más?

La electrónica que usamos actualmente está basada principalmente en el Silicio (Si) que es un compuesto inorgánico, tremendamente abundante en nuestro planeta, pero se está investigando con nuevos materiales orgánicos, es decir con base de Carbono (C), si quieres saber un poquito más continua leyendo.

Antes de hablar de la electrónica orgánica, me gustaría presentar algunos conceptos que se usan y aplican en la electrónica “tradicional”, (si se puede llamar tradicional a algo que se inventó en 1947)

Electrónica “Tradicional”

Estaríamos hablando de conceptos usados en el transistor, invento que otorgó el premio nobel de Física en 1956 a sus descubridores John BardeenWalter Houser Brattain yWilliam Bradford Shockley. Este hecho, en mi modesta opinión, revolucionó en todos los aspectos la tecnología, y a su vez revolucionó nuestra forma de vivir.

El concepto que quería introducir es el de la unión p-n, que es la unión de dos cristales semiconductores, generalmente de Silico (Si).

El Si es un material con valencia 4, es decir tiene 4 electrones libres para formar enlaces con los átomos vecinos

Malla de Silicio

Origen WikiPedia

Como se puede observar en la imagen, esos 4 electrones de valencia, que serían los que en un átomo solitario podrían contribuir a la conducción eléctrica, están formando enlaces covalentes con sus vecinos.

En la forma pura del Silicio, la conducción se verá limitada a los electrones que queden libres por la rotura de estos enlaces debido a la agitación térmica, es decir que el Silicio puro es un mal conductor de la electricidad.

En la unión p-n lo que se hace es dopar el Sicilio con una impureza trivalente (tipo P), como el Boro (B), de forma que se crea un enlace covalente defectuoso (le faltaría un electrón) creando lo que se llama un hueco (h+), que no es más que ese enlace covalente defectuoso. Este hueco tendrá la posibilidad de saltar de una parte de la red cristalina a otra, en el Silicio tipo N, la impureza que se utiliza es una impureza pentavalente como el fósforo (P), lo que deja un electrón libre después de formar los 4 enlaces covalentes con los átomos vecinos. Ee esta forma se aumenta la conducción del Si.

Hasta ahora, lo único que hemos hecho es variar la conductividad (capacidad de conducir corriente eléctrica) de un semiconductor, añadiendo cargas libres (tipo N) o añadiendo enlaces defectuosos (tipo P).

Cuando juntamos dos semiconductores con distinto tipo de dopaje se crea una zona de carga espacial, es decir, los electrones libres cubren los enlaces defectuosos de la zona adyacente, dejando al nucleo de fósforo como carga positiva fija en la red, y al otro lado se quedan cargas negativas en los nucleos de los átomos, lo que genera un campo electrico contrario a esta difusión de cargas. (Siguiente figura)

Zona de vaciamiento, o de carga espacial

Las propiedades de esta unión es lo que permite que tengamos dispositivos como los diodos (que son una simple unión p-n). Los diodos solo permiten la circulación de corriente en un sentido, cortando la corriente en el sentido contrario.

Los transistores, que nos permiten controlar el paso de corriente de un extremo a otro con una corriente relativamente pequeña, están formados por dos uniones seguidas p-n-p o n-p-n.

Hasta aquí no se ha descrito nada nuevo, se ha hablado de los conceptos de la electrónica básicos, que estarán más extendidos, y que ahora nos permitirá relacionarlo con lo que se conoce como electrónica orgánica.

Hay muchos conceptos de los que, por cuestiones de espacio, (y para no aburrir al personal), no se han hablado pero que se pueden intuir, como que la movilidad de los electrones será mejor que la de los huecos. Fenómenos también como la recombinación, es decir cuando un electrón circula como corriente principal en el diodo y prefiere quedarse en un hueco cuando lo encuentra (con lo que será una pérdida en nuestra corriente principal) así como otros conceptos que intentaré explicar en virtud de su necesidad.

Electrónica Orgánica

Introducido el fenómeno que da origen a la electrónica actual, o mejor dicho, lo que serían elementos activos de un circuito electrónico, cabe preguntarse: ¿Qué es eso de la Electrónica Orgánica?.

Lo primero que podemos decir es que se trata del mismo principio que el anterior, es decir formar uniones p-n, semiconductor de dos tipos. ¿Y donde está la diferencia?. Pues ni más ni menos en que en lugar de formarse con elementos inorgánicos como el Si, se hacen con elementos orgánicos, es decir, polímeros formados con Carbono (C). Vamos la química orgánica de toda la vida.

Pero …, ¿No son los polímeros materiales plásticos? Pues sí, y ya sabemos que los plásticos como conductores de la electricidad siempre han dejado mucho que desear.

Esto fué así hasta que en 1970 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa descubrieran que dopando una lámina de poliacetileno oxidandola con vapor de Iodo la conductividad crecía de una manera espectacular.

En la siguiente figura se compara el poliacetileno sin dopar y dopado:

Observamos en dicha representación que en el poliacetileno sin dopar (polímero de arrba) los enlaces dobles están bien definidos (hay muy pocos defectuosos). En cambio al doparlo (abajo) la sustancia dopante provoca que los enlaces sean más difusos y de esta forma se aumenta la conductividad del material.

Una vez desarrollado este tipo de polímero, si unimos dos polímeros dopados de manera distinta, es decir, con distinta conductividad, formaremos interfases como se forman en la unión p-n de Silicio.

¿Qué aporta la electrónica orgánica?

Lo primero que inmediatamente nos viene a la cabeza es que las propiedades físicas de los polímeros se pueden aprovechar para los dispositivos electrónicos, y una de las más deseadas es la flexibilidad de estos, lo que permite construir pantallas flexibles.

Otra de las ventajas es la posibilidad de fabricar dispositivos electrónicos con técnicas más baratas, y que no necesitan de hornos con elevada temperatura como en los dispositivos basados en Silicio. De hecho podemos imaginar una impresora de chorro de tinta que deposite los polímeros de manera que forme el “layout” de nuestro dispositivo electrónico, como se nos ofrece en el siguiente enlace http://www.gestiondecolor.com/blog/i/27343/128/tecnologia-inkjet-para-impresion-funcional-o-electronica-impresa

Otra de las promesas de la electrónica orgánica es la posibilidad de superar el límite teórico de eficiencia de una célula solar tradicional que está en el 30%, límite que se podría superar con una sola capa si se consigue aprovechar mejor el espectro. De hecho ya se ha superado en células inorgánicas comerciales según la empresa  NLV SOLAR AG. Y que se describe en el siguiente post http://luisletosa.blogspot.com/2011/08/el-38-de-eficiencia-en-energia.html, (a modo de resumen se establece una estructura multicapa para aumentar la absorción de la luz solar).

Evidentemente no todo son ventajas, ya que de momento la eficiencia de las células solares orgánicas está en torno al 10%, el Silicio es mucho más abundante en la naturaleza, y por ejemplo hablando de células solares, la degradación que sufren las orgánicas es mucho mayor. Pero como dijo aquél “Estamos trabajando en ello”.

Otra de las esperanzas es trabajar en la miniaturización, ya que si se consigue trabajar a nivel molecular, podríamos tener por ejemplo un transistor formado por 3 moléculas (en un límite teórico), solo superado por las promesas de la computación cuántica que parece que es capaz de formar un transistor con solo 7 átomos.

En el futuro, puede ser que los nuevos materiales como el grafeno, hagan su incursión en la electrónica orgánica fabricando dispositivos que hagan uso de sus particulares propiedades, muchas de ellas por desarrollar.

La electrónica orgánica es ya una realidad, de hecho se comercializan pantallas con led’s orgánicos, OLED, AMOLED’s, y en realidad hay muchos dispositivos móviles que estan usando este tipo de pantalla, aunque esten fabricados en un sustrato rígido, se podrían fabricar en un soporte flexible como en el siguiente video:

En cuanto a que nos depara el futuro os dejo con una frase que se le presupone a Albert Einstein:

“Nunca pienso en el futuro. Llega enseguida”

Para saber más:

W. Shockley and H. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells”, Journal of Applied Physics, vol. 32, pp. 510-519, 1961.

H. Spanggaard and F. C. Krebs, “A Brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 83, pp. 125-146, Jun 2004

V.I. Arkhipov, et al., “Why is exciton dissociation so efficient at the interface between a conjugated polymer and an electron acceptor?” Applied Physics Letters, vol. 82, pp. 4605-4607, Jun 2003.

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=big-news-from-the-nano-world-of-gra-2010-04

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2 comments

  1. Habrá que esperar.

    Conocía el grafeno, así como sus propiedades y aplicaciones. Pero descononcía la electrónica orgánica. Espero su tecnología sea viable y que nos valgamos de sus propiedades lo antes posible.

    Un saludo.

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