Efeito de deformações mecânicas nas propriedades optoeletrônicas de materiais orgânicos: cálculos de estrutura eletrônica de polímeros e fulerenos
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Data
2021-06-25
Autores
Cachaneski-Lopes, João Paulo
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
O desenvolvimento de materiais para dispositivos optoeletrônicos é uma importante área de pesquisa básica e aplicada, no entanto, um entendimento mais aprofundado dos efeitos induzidos pelas deformações mecânicas sobre as propriedades intrínsecas dos diferentes componentes desses dispositivos ainda é necessário para ampliar a sua aplicabilidade e melhorar a sua durabilidade. De fato, embora existam diversos estudos a respeito de materiais mecano-responsivos, há ainda uma relativa escassez de estudos acerca do efeito das deformações mecânicas nas propriedades intrínsecas de compostos orgânicos. Neste contexto, no presente trabalho, métodos de modelagem molecular foram empregados para avaliar os efeitos das deformações mecânicas nas propriedades estruturais, optoeletrônicas e de reatividade de polímeros conjugados como polianilina (PANI), politiofeno (PT), poli(p-fenileno vinileno) (PPV) e polipirrol (PPy), e moléculas orgânicas aceitadoras baseadas em fulereno: C60 e [6,6]-fenil-C61 ácido butírico-metil éster (PCBM). Os resultados evidenciam uma forte influência das deformações mecânicas na estrutura eletrônica dos compostos. Nos sistemas poliméricos nota-se uma redução dos níveis de energia da fronteira, com aumento dos gaps eletrônicos, efeitos hipsocrômicos no espectro de absorção óptica e pequenas mudanças nas reatividades locais. Nos fulerenos os resultados evidenciam a existência de regimes distintos de mudanças estruturais que influenciam as propriedades dos compostos. Em particular, foi observado que a compressão/estiramento das estruturas pode levar ao estreitamento dos gaps eletrônicos, aumento da absorção óptica, diminuição da mobilidade de buracos e leves alterações nas reatividades locais. As alterações observadas podem levar a efeitos significativos no desempenho de dispositivos, por exemplo em sistemas poliméricos, é esperado um aumento nas tensões de circuito aberto, se aplicados em células solares orgânicas, com perda de funcionalidade para alguns sistemas, ao mesmo tempo em que uma redução das barreiras de injeção é esperada em OLEDs e sensores químicos. Os resultados obtidos para os compostos fulerênicos permitem auxiliar na interpretação da formação de estruturas polimerizadas e experimentos balísticos, bem como estimar as respostas de nanodispositivos e sistemas endoédricos, baseados em moléculas isoladas.
The development of materials for optoelectronic applications is an important research area, however, a deeper understanding of the effects induced by mechanical deformations on the intrinsic properties of the different components of optoelectronic devices is still necessary to expand their applicability and improve their durability. In fact, although there are several studies regarding mechano-responsive materials, there is a relative scarcity of studies on the effect of mechanical deformations on the intrinsic properties of organic compounds. In this context, here we employ molecular modeling techniques to evaluate the effects of mechanical deformations on the structural, optoelectronic and reactivity properties of conjugated polymers such as polyaniline (PANI), polythiophene (PT), poly (p-phenylene vinylene) (PPV) and polypyrrole (PPy), and organic acceptor molecules based on fullerene: C60 and [6.6]-phenyl-C61 butyric acid-methyl ester (PCBM). The results show a strong influence of the mechanical deformations on the electronic structure of the systems. In polymeric systems, there is a reduction in the frontier energy levels, with an increase in electronic gaps, hypsochromic effects in the optical absorption spectrum and small changes in local reactivities. In fullerenes it is noticed the existence of distinct regimes of structural changes that influence the properties of the compounds. In particular, it was observed that the compression/stretching of the structures can lead to the narrowing of the electronic gaps, increased optical absorption, decreased hole mobilities and subtle changes in the local reactivities. The observed changes can lead to significant effects on the performance of devices, for example in polymeric systems, an increase in open circuit voltages in organic solar cells is expected, with loss of functionality for some systems, at the same time it is expected a reduction of the injection barriers in OLEDs and chemical sensors. The results obtained for the fullerene-based compounds help to interpret the formation of polymerized structures and ballistic experiments, as well as estimating the responses of nanodevices and endohedral systems, based on isolated molecules.
The development of materials for optoelectronic applications is an important research area, however, a deeper understanding of the effects induced by mechanical deformations on the intrinsic properties of the different components of optoelectronic devices is still necessary to expand their applicability and improve their durability. In fact, although there are several studies regarding mechano-responsive materials, there is a relative scarcity of studies on the effect of mechanical deformations on the intrinsic properties of organic compounds. In this context, here we employ molecular modeling techniques to evaluate the effects of mechanical deformations on the structural, optoelectronic and reactivity properties of conjugated polymers such as polyaniline (PANI), polythiophene (PT), poly (p-phenylene vinylene) (PPV) and polypyrrole (PPy), and organic acceptor molecules based on fullerene: C60 and [6.6]-phenyl-C61 butyric acid-methyl ester (PCBM). The results show a strong influence of the mechanical deformations on the electronic structure of the systems. In polymeric systems, there is a reduction in the frontier energy levels, with an increase in electronic gaps, hypsochromic effects in the optical absorption spectrum and small changes in local reactivities. In fullerenes it is noticed the existence of distinct regimes of structural changes that influence the properties of the compounds. In particular, it was observed that the compression/stretching of the structures can lead to the narrowing of the electronic gaps, increased optical absorption, decreased hole mobilities and subtle changes in the local reactivities. The observed changes can lead to significant effects on the performance of devices, for example in polymeric systems, an increase in open circuit voltages in organic solar cells is expected, with loss of functionality for some systems, at the same time it is expected a reduction of the injection barriers in OLEDs and chemical sensors. The results obtained for the fullerene-based compounds help to interpret the formation of polymerized structures and ballistic experiments, as well as estimating the responses of nanodevices and endohedral systems, based on isolated molecules.
Descrição
Palavras-chave
Deformações estruturais, Propriedades optoeletrônicas, Polímeros conjugados, Fulerenos, Teoria funcional da densidade, Structural deformations, Optoelectronic properties, Conjugated polymers, Fullerenes, Density functional theory