Los oligómeros y polímeros orgánicos conjugados funcionales constituyen un interesante grupo de materiales para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos. La combinación de las propiedades mecánicas (es decir, la plasticidad y la procesabilidad) con sus propiedades eléctricas y ópticas sintonizables (conductividad, fotoluminiscencia y electroluminiscencia) los convierte en componentes muy atractivos, lo que permite crear películas finas flexibles de bajo coste para diodos emisores de luz (LED), láseres, pantallas, células fotovoltaicas, detectores o transistores de efecto de campo (FET). En los últimos 20 años, algo que surgió como un campo prometedor para nuevos materiales y aplicaciones ha evolucionado hasta convertirse en una verdadera industria con productos comerciales en el mercado.

El rendimiento de los dispositivos de base orgánica depende de varios procesos complementarios que tienen lugar en la capa activa, como la absorción óptica, la migración y la emisión de energía, así como la generación, el transporte y la recombinación de cargas. Para comprender estos procesos, es necesario adquirir un conocimiento profundo de la naturaleza y propiedades de los materiales de la capa activa. Esto tiene que ver con las propiedades moleculares intrínsecas, es decir, la naturaleza y la flexibilidad (torsional) de la columna vertebral molecular, la longitud de conjugación efectiva y el patrón de sustitución, pero también con la disposición específica de las moléculas en la capa, que a su vez está controlada por sus propiedades intrínsecas. La sistematización de la relación entre la estructura molecular y sus propiedades electrónicas y ópticas es, pues, el punto de partida en el diseño racional de nuevos materiales con propiedades mejoradas.

El diseño de materiales antes de la síntesis se ha convertido en un tema importante en la ciencia de los materiales, donde la teoría trabaja mano a mano con la química, la física y la tecnología de dispositivos en un enfoque multidisciplinar. En los últimos 10 años se ha producido una rápida evolución de los métodos de química cuántica para la predicción fiable de las propiedades de los materiales, junto con el aumento de las capacidades informáticas. Sin embargo, para obtener resultados significativos es necesario un conocimiento profundo de las posibilidades y los límites de los distintos métodos de la química cuántica, que sólo proporcionan los especialistas, pero que trabajan en un entorno interdisciplinar. El conjunto de  herramientas metodológicas abarca desde métodos semiempíricos rentables, pasando por enfoques basados en el funcional de la densidad, hasta diferentes métodos ab-initio, haciendo uso de varios paquetes de química cuántica para explotar todo el espectro de la descripción teórica fiable.
Con el conocimiento del método químico-cuántico adecuado a mano, es posible determinar con precisión las especies neutras y cargadas de las moléculas orgánicas conjugadas en su estado básico y excitado. Se trata de la geometría y la conformación molecular, los espectros vibracionales IR y Raman, la energía y la topología de los orbitales, la afinidad de los electrones y los potenciales de ionización, la energía, así como la intensidad y las propiedades vibrónicas de las transiciones electrónicas. Del mismo modo, los efectos intermoleculares pueden tratarse para extraer los acoplamientos excitónicos y electrónicos para modelar los espectros del estado sólido y las propiedades de transporte de energía y carga, convirtiéndose así en un instrumento indispensable en el diseño de materiales.

Colaboradores/as

• Johannes Gierschner - Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA)

Equipo de trabajo

• Junquing Shi - Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA)

Actividades de investigación