Mapeamento da distribuição de cargas na interface de materiais orgânicos com metais e óxidos metálicos

Abstract

Um obstáculo para o desenvolvimento e aprimoramento de dispositivos baseados em materiais orgânicos está relacionado à complexidade da interface formada entre esses materiais e substratos de diferentes naturezas. Dispositivos eletrônicos baseados em moléculas π-conjugadas têm sido alvo de vários esforços de pesquisa na última década. Dentre elas, uma classe de moléculas que se destaca é a ftalocianina (Pc) por conta da capacidade de se controlar suas propriedades. Na nanoescala, as interfaces orgânica/inorgânica de sistemas baseados em moléculas π-conjugadas surgem como seus componentes mais fundamentais. Eles são responsáveis por várias funções, propriedades ou problemas – intencionalmente arquitetados ou previamente evitados. Aqui, a microscopia de força atômica foi combinada a microscopia de potencial de superfície para investigar o potencial eletrostático na superfície das interfaces metal/orgânico e óxido/orgânico, ou seja, filmes finos e ultrafinos de ftalocianina de cobre (CuPc) crescidos em diferentes eletrodos metálicos (Au, Ni, Ag, Cr e Ti). Como resultado a orientação molecular foi estimada, a função trabalho dos filmes de CuPc, seus dipolos de interface e a região de carga espacial formada em cada uma das interfaces foram quantificadas. Os dados de KPFM serviram como base para o desenvolvimento de retificadores baseados em filmes orgânicos ultrafinos. Essas heteroestruturas foram avaliadas em termos de medidas elétricas de corrente-tensão como função da frequência. Considerando que os filmes ultrafinos de CuPc são nanomateriais modelo empregados em vários estudos de ponta, nossas descobertas experimentais fornecem um roteiro consistente para o desenvolvimento de novos dispositivos funcionais orgânico/inorgânico.

An obstacle for the development and improvement of devices based on organic materials is related to the complexity of the interface formed between such materials and substrates of different natures. Electronic devices based on π-conjugated molecules have been on the focus of several research efforts in the last decade. Among them, a class of molecules that stands out is phthalocyanine (Pc), due to the ability to control its properties.At nanoscale, the hybrid organic/inorganic interfaces of systems based on π-conjugated molecules rise up as their most fundamental components. They are responsible for various functions, properties or issues – previously architected or advertently avoided. Here we combine atomic force microscopy and Kelvin-probe force microscopy to investigate the surface potential of hybrid metal/organic and metal-oxide/organic interfaces – i.e., a-few-nanometer-thick copper phthalocyanine (CuPc) films grown on different metal electrodes (Au, Ni, Ag, Cr, and Ti). As result, we estimate the molecular orientation, quantify the thin- and ultrathin-CuPc-film’s work function, their substrate-dependent interface dipoles, and their space-charge regions. The KPFM results served as basis to choice electrodes for the development of organic-thin-films rectifiers. Considering that CuPc ultrathin films are model nanomaterials employed in several state-of-the-art studies, our experimental findings provide a consistent roadmap for further developments on hybrid organic/inorganic functional devices.