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1 Universidad de Jaén Facultad de Ciencias Experimentales Trabajo Fin de Grado Alumno: Juan Guzmán Moya Junio, 2019 Química computacional dirigida al estudio de la geometría molecular y propiedades electrónicas de transporte de carga de compuestos orgánicos basados en naftaleno diimida con aplicaciones en células solares. Facultad de Ciencias Experimentales a

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Page 1: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

1

Universidad de Jaeacuten

Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de Grado

Universidad de Jaeacuten

Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

ntildentilde

Alumno Juan Guzmaacuten Moya

Junio 2019

Quiacutemica computacional

dirigida al estudio de la

geometriacutea molecular y

propiedades electroacutenicas

de transporte de carga de

compuestos orgaacutenicos

basados en naftaleno

diimida con aplicaciones

en ceacutelulas solares

Quiacutemica computacional

dirigida al estudio de la

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Universidad de Jaeacuten

Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de Grado

Facultad de Ciencias ExperimentalesUniversidad de Jaeacuten

Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

Alumno Juan Guzmaacuten Moya

Junio 2019

Quiacutemica computacional

dirigida al estudio de la

geometriacutea molecular y

propiedades electroacutenicas

de transporte de carga de

compuestos orgaacutenicos

basados en naftaleno

diimida con aplicaciones

en ceacutelulas solares

Quiacutemica computacional

dirigida al estudio de la

geometriacutea molecular y

propiedades electroacutenicas

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3

INDICE

RESUMEN 4

ABSTRACT 4

1 INTRODUCCIOacuteN 5

11 Preaacutembulo 5

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores 8

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica 10

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio 11

2 OBJETIVOS 13

3 MEacuteTODOLOGIacuteA 14

31 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT) 14

32 Propiedades a estudiar 17

321 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap 17

322 Movilidad de carga 18

323 Recursos computacionales 20

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 21

41 Optimizacioacuten de las geometriacuteas 22

42 Paraacutemetros estructurales 23

43 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes estable 26

44 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten 31

45 Band gap y orbitales moleculares 32

46 Transiciones electroacutenicas 33

47 Estudio de diacutemeros covalentes 35

48 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente 39

5 CONCLUSIONES 46

6 BIBLIOGRAFIacuteA 48

4

RESUMEN

Durante las dos uacuteltimas deacutecadas el empleo de dispositivos fotovoltaicos

basados en compuestos orgaacutenicos ha recibido gran atencioacuten ya que permiten

mejorar la eficiencia reducir costes y conseguir mejorar las propiedades de las

ceacutelulas solares tradicionales basadas en silicio al ser maacutes ligeros flexibles y de faacutecil

procesado

En este Trabajo Fin de Grado se pretende estudiar teoacutericamente el

comportamiento del monoacutemero aceptor PNDIBS y del monoacutemero donador PBDB-T

como candidatos para ser utilizados en una ceacutelula solar de tercera generacioacuten

basadas en poliacutemeros de semiconductores orgaacutenicos Mediante caacutelculos mecano-

cuaacutenticos se han estudiado las variaciones estructurales que se producen en el

proceso de ionizacioacuten de las moleacuteculas y se han determinado sus propiedades

semiconductoras tales como la energiacutea de reorganizacioacuten band gap energiacutea de

orbitales HOMOLUMO entre otras Ademaacutes se han analizado las diferentes

posibilidades de unioacuten covalente entre las unidades aceptora y donadora estudiadas

asiacute como sus propiedades optoelectroacutenicas

ABSTRACT

Over the last two decades the use of photovoltaic devices based on organic

compounds has received great attention since they allow to improve the efficiency to

reduce costs and to improve the properties of the traditional solar cells based in

silicon to be lighter flexible and easy to process This work is intended to study

theoretically the behavior of the monomer acceptor PNDIBS and the monomer donor

PBDB-T as candidates for use in a third generation solar cell based on polymers of

organic semiconductors Through quantum-mechanical calculations the structural

variations that occur in the process of ionization of the molecules have been studied

and their semiconductor properties have been determined such as the reorganization

energy band gap orbital energy HOMOLUMO among others Subsequently we

have analyzed the different possibilities of covalent bond between the donor and

acceptor units studied as well as their optoelectronic properties

5

INTRODUCCIOacuteN

11 Preaacutembulo

A diacutea de hoy se sabe que el uso de los hidrocarburos como fuente de energiacutea

es contaminante para el medio ambiente ademaacutes los estudios revelan que en pocas

deacutecadas se agotaraacuten dichos recursos Como consecuencia surge la necesidad de

buscar nuevas fuentes de energiacuteas renovables y limpias

Una de esas fuentes renovables es la ceacutelula fotovoltaica o solar Desde la

aparicioacuten de las ceacutelulas solares hasta el diacutea de hoy se investiga para conseguir que

estas sean eficientes estables y con bajo coste de produccioacuten Su evolucioacuten a lo

largo de los antildeos ha llevado a clasificar las ceacutelulas solares en cuatro generaciones

Primera Generacioacuten son ceacutelulas solares basadas en el silicio y con una

eficiencia de la conversioacuten energeacutetica (PCE) del 20

La eficiencia de conversioacuten energeacutetica (PCE) (Zhou et al 2018) se

expresa como el cociente entre la salida de energiacutea maacutexima de la

ceacutelula solar Pm y la energiacutea de entrada de la luz incidente Pin

119875119862119864 = 119875119898

119875119894119899 119909 100

Siendo Pm el producto del voltaje y la densidad de corriente en el punto

maacuteximo 119875119898 = 119881119901119898 times 119869119901119898

A pesar del alto PCE que posee esta generacioacuten tiene un alto coste de

fabricacioacuten debido a los procesos de purificacioacuten cristalizacioacuten y corte del

silicio cristalino constituyendo un problema para esta generacioacuten de ceacutelulas

solares

Segunda Generacioacuten surge como consecuencia del alto coste que conlleva la

fabricacioacuten de las ceacutelulas solares basadas en silicio Se basan en introducir

una delgada laacutemina en la ceacutelula solar de silicio amorfo teluro de cadmio

(CdTe) y un compuesto de cobre indio galio y diseleniuro (CIGS) Aunque

soluciona los problemas del dispositivo de la primera generacioacuten resulta ser

menos eficiente que esta uacuteltima

Tercera Generacioacuten formada por compuestos orgaacutenicos como los nanotubos

colorantes orgaacutenicos poliacutemeros y nuevos materiales como los quantum dots

6

que son pequentildeas partiacuteculas semiconductoras de un par de nanoacutemetros tan

pequentildeas que sus propiedades oacutepticas y eleacutectricas difieren de las de

partiacuteculas LED maacutes grandes y cuyo objetivo es reducir el coste e incrementar

la eficiencia (Nguyen et al 2018) Cabe mencionar que el intereacutes hacia este

tipo de ceacutelulas solares basadas en moleacuteculas y poliacutemeros orgaacutenicos

semiconductores ha experimentado un vertiginoso progreso lo que ha

permitido conseguir mejorar su PCE desde valores inferiores al 1 hasta

sobrepasar el 10 en poco maacutes de una deacutecada Esta raacutepida evolucioacuten ha

estado motivada por la posibilidad de generar paneles solares flexibles

ligeros y de bajo coste mediante meacutetodos de fabricacioacuten parecidos a la

impresioacuten de perioacutedicos (Campoy 2014)

Figura 1 Unidades repetitivas de poliacutemeros semiconductores (Lui S et al 2015)

Cuarta Generacioacuten esta generacioacuten se conoce como la generacioacuten hiacutebrida

ya que se combinan las ventajas de los materiales orgaacutenicos tales como su

bajo coste de fabricacioacuten su estructura flexible y su faacutecil procesamiento junto

con las de materiales inorgaacutenicos que poseen alta estabilidad y alto

transporte de carga (Nguyen et al 2018) Tambieacuten entran en esta categoriacutea

las ceacutelulas solares fabricadas con perovskitas aunque estas no han

conseguido auacuten llamar mucho la atencioacuten hasta la fecha debido a que no se

ha conseguido comprender ni controlar su funcionamiento su estabilidad y

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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2

Universidad de Jaeacuten

Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de Grado

Facultad de Ciencias ExperimentalesUniversidad de Jaeacuten

Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

Alumno Juan Guzmaacuten Moya

Junio 2019

Quiacutemica computacional

dirigida al estudio de la

geometriacutea molecular y

propiedades electroacutenicas

de transporte de carga de

compuestos orgaacutenicos

basados en naftaleno

diimida con aplicaciones

en ceacutelulas solares

Quiacutemica computacional

dirigida al estudio de la

geometriacutea molecular y

propiedades electroacutenicas

Fa

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a

Gra

do

en

Qu

iacutemic

a

a

Gra

do

en

Qu

iacutemic

a

3

INDICE

RESUMEN 4

ABSTRACT 4

1 INTRODUCCIOacuteN 5

11 Preaacutembulo 5

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores 8

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica 10

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio 11

2 OBJETIVOS 13

3 MEacuteTODOLOGIacuteA 14

31 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT) 14

32 Propiedades a estudiar 17

321 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap 17

322 Movilidad de carga 18

323 Recursos computacionales 20

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 21

41 Optimizacioacuten de las geometriacuteas 22

42 Paraacutemetros estructurales 23

43 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes estable 26

44 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten 31

45 Band gap y orbitales moleculares 32

46 Transiciones electroacutenicas 33

47 Estudio de diacutemeros covalentes 35

48 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente 39

5 CONCLUSIONES 46

6 BIBLIOGRAFIacuteA 48

4

RESUMEN

Durante las dos uacuteltimas deacutecadas el empleo de dispositivos fotovoltaicos

basados en compuestos orgaacutenicos ha recibido gran atencioacuten ya que permiten

mejorar la eficiencia reducir costes y conseguir mejorar las propiedades de las

ceacutelulas solares tradicionales basadas en silicio al ser maacutes ligeros flexibles y de faacutecil

procesado

En este Trabajo Fin de Grado se pretende estudiar teoacutericamente el

comportamiento del monoacutemero aceptor PNDIBS y del monoacutemero donador PBDB-T

como candidatos para ser utilizados en una ceacutelula solar de tercera generacioacuten

basadas en poliacutemeros de semiconductores orgaacutenicos Mediante caacutelculos mecano-

cuaacutenticos se han estudiado las variaciones estructurales que se producen en el

proceso de ionizacioacuten de las moleacuteculas y se han determinado sus propiedades

semiconductoras tales como la energiacutea de reorganizacioacuten band gap energiacutea de

orbitales HOMOLUMO entre otras Ademaacutes se han analizado las diferentes

posibilidades de unioacuten covalente entre las unidades aceptora y donadora estudiadas

asiacute como sus propiedades optoelectroacutenicas

ABSTRACT

Over the last two decades the use of photovoltaic devices based on organic

compounds has received great attention since they allow to improve the efficiency to

reduce costs and to improve the properties of the traditional solar cells based in

silicon to be lighter flexible and easy to process This work is intended to study

theoretically the behavior of the monomer acceptor PNDIBS and the monomer donor

PBDB-T as candidates for use in a third generation solar cell based on polymers of

organic semiconductors Through quantum-mechanical calculations the structural

variations that occur in the process of ionization of the molecules have been studied

and their semiconductor properties have been determined such as the reorganization

energy band gap orbital energy HOMOLUMO among others Subsequently we

have analyzed the different possibilities of covalent bond between the donor and

acceptor units studied as well as their optoelectronic properties

5

INTRODUCCIOacuteN

11 Preaacutembulo

A diacutea de hoy se sabe que el uso de los hidrocarburos como fuente de energiacutea

es contaminante para el medio ambiente ademaacutes los estudios revelan que en pocas

deacutecadas se agotaraacuten dichos recursos Como consecuencia surge la necesidad de

buscar nuevas fuentes de energiacuteas renovables y limpias

Una de esas fuentes renovables es la ceacutelula fotovoltaica o solar Desde la

aparicioacuten de las ceacutelulas solares hasta el diacutea de hoy se investiga para conseguir que

estas sean eficientes estables y con bajo coste de produccioacuten Su evolucioacuten a lo

largo de los antildeos ha llevado a clasificar las ceacutelulas solares en cuatro generaciones

Primera Generacioacuten son ceacutelulas solares basadas en el silicio y con una

eficiencia de la conversioacuten energeacutetica (PCE) del 20

La eficiencia de conversioacuten energeacutetica (PCE) (Zhou et al 2018) se

expresa como el cociente entre la salida de energiacutea maacutexima de la

ceacutelula solar Pm y la energiacutea de entrada de la luz incidente Pin

119875119862119864 = 119875119898

119875119894119899 119909 100

Siendo Pm el producto del voltaje y la densidad de corriente en el punto

maacuteximo 119875119898 = 119881119901119898 times 119869119901119898

A pesar del alto PCE que posee esta generacioacuten tiene un alto coste de

fabricacioacuten debido a los procesos de purificacioacuten cristalizacioacuten y corte del

silicio cristalino constituyendo un problema para esta generacioacuten de ceacutelulas

solares

Segunda Generacioacuten surge como consecuencia del alto coste que conlleva la

fabricacioacuten de las ceacutelulas solares basadas en silicio Se basan en introducir

una delgada laacutemina en la ceacutelula solar de silicio amorfo teluro de cadmio

(CdTe) y un compuesto de cobre indio galio y diseleniuro (CIGS) Aunque

soluciona los problemas del dispositivo de la primera generacioacuten resulta ser

menos eficiente que esta uacuteltima

Tercera Generacioacuten formada por compuestos orgaacutenicos como los nanotubos

colorantes orgaacutenicos poliacutemeros y nuevos materiales como los quantum dots

6

que son pequentildeas partiacuteculas semiconductoras de un par de nanoacutemetros tan

pequentildeas que sus propiedades oacutepticas y eleacutectricas difieren de las de

partiacuteculas LED maacutes grandes y cuyo objetivo es reducir el coste e incrementar

la eficiencia (Nguyen et al 2018) Cabe mencionar que el intereacutes hacia este

tipo de ceacutelulas solares basadas en moleacuteculas y poliacutemeros orgaacutenicos

semiconductores ha experimentado un vertiginoso progreso lo que ha

permitido conseguir mejorar su PCE desde valores inferiores al 1 hasta

sobrepasar el 10 en poco maacutes de una deacutecada Esta raacutepida evolucioacuten ha

estado motivada por la posibilidad de generar paneles solares flexibles

ligeros y de bajo coste mediante meacutetodos de fabricacioacuten parecidos a la

impresioacuten de perioacutedicos (Campoy 2014)

Figura 1 Unidades repetitivas de poliacutemeros semiconductores (Lui S et al 2015)

Cuarta Generacioacuten esta generacioacuten se conoce como la generacioacuten hiacutebrida

ya que se combinan las ventajas de los materiales orgaacutenicos tales como su

bajo coste de fabricacioacuten su estructura flexible y su faacutecil procesamiento junto

con las de materiales inorgaacutenicos que poseen alta estabilidad y alto

transporte de carga (Nguyen et al 2018) Tambieacuten entran en esta categoriacutea

las ceacutelulas solares fabricadas con perovskitas aunque estas no han

conseguido auacuten llamar mucho la atencioacuten hasta la fecha debido a que no se

ha conseguido comprender ni controlar su funcionamiento su estabilidad y

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Page 3: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

3

INDICE

RESUMEN 4

ABSTRACT 4

1 INTRODUCCIOacuteN 5

11 Preaacutembulo 5

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores 8

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica 10

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio 11

2 OBJETIVOS 13

3 MEacuteTODOLOGIacuteA 14

31 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT) 14

32 Propiedades a estudiar 17

321 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap 17

322 Movilidad de carga 18

323 Recursos computacionales 20

4 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 21

41 Optimizacioacuten de las geometriacuteas 22

42 Paraacutemetros estructurales 23

43 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes estable 26

44 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten 31

45 Band gap y orbitales moleculares 32

46 Transiciones electroacutenicas 33

47 Estudio de diacutemeros covalentes 35

48 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente 39

5 CONCLUSIONES 46

6 BIBLIOGRAFIacuteA 48

4

RESUMEN

Durante las dos uacuteltimas deacutecadas el empleo de dispositivos fotovoltaicos

basados en compuestos orgaacutenicos ha recibido gran atencioacuten ya que permiten

mejorar la eficiencia reducir costes y conseguir mejorar las propiedades de las

ceacutelulas solares tradicionales basadas en silicio al ser maacutes ligeros flexibles y de faacutecil

procesado

En este Trabajo Fin de Grado se pretende estudiar teoacutericamente el

comportamiento del monoacutemero aceptor PNDIBS y del monoacutemero donador PBDB-T

como candidatos para ser utilizados en una ceacutelula solar de tercera generacioacuten

basadas en poliacutemeros de semiconductores orgaacutenicos Mediante caacutelculos mecano-

cuaacutenticos se han estudiado las variaciones estructurales que se producen en el

proceso de ionizacioacuten de las moleacuteculas y se han determinado sus propiedades

semiconductoras tales como la energiacutea de reorganizacioacuten band gap energiacutea de

orbitales HOMOLUMO entre otras Ademaacutes se han analizado las diferentes

posibilidades de unioacuten covalente entre las unidades aceptora y donadora estudiadas

asiacute como sus propiedades optoelectroacutenicas

ABSTRACT

Over the last two decades the use of photovoltaic devices based on organic

compounds has received great attention since they allow to improve the efficiency to

reduce costs and to improve the properties of the traditional solar cells based in

silicon to be lighter flexible and easy to process This work is intended to study

theoretically the behavior of the monomer acceptor PNDIBS and the monomer donor

PBDB-T as candidates for use in a third generation solar cell based on polymers of

organic semiconductors Through quantum-mechanical calculations the structural

variations that occur in the process of ionization of the molecules have been studied

and their semiconductor properties have been determined such as the reorganization

energy band gap orbital energy HOMOLUMO among others Subsequently we

have analyzed the different possibilities of covalent bond between the donor and

acceptor units studied as well as their optoelectronic properties

5

INTRODUCCIOacuteN

11 Preaacutembulo

A diacutea de hoy se sabe que el uso de los hidrocarburos como fuente de energiacutea

es contaminante para el medio ambiente ademaacutes los estudios revelan que en pocas

deacutecadas se agotaraacuten dichos recursos Como consecuencia surge la necesidad de

buscar nuevas fuentes de energiacuteas renovables y limpias

Una de esas fuentes renovables es la ceacutelula fotovoltaica o solar Desde la

aparicioacuten de las ceacutelulas solares hasta el diacutea de hoy se investiga para conseguir que

estas sean eficientes estables y con bajo coste de produccioacuten Su evolucioacuten a lo

largo de los antildeos ha llevado a clasificar las ceacutelulas solares en cuatro generaciones

Primera Generacioacuten son ceacutelulas solares basadas en el silicio y con una

eficiencia de la conversioacuten energeacutetica (PCE) del 20

La eficiencia de conversioacuten energeacutetica (PCE) (Zhou et al 2018) se

expresa como el cociente entre la salida de energiacutea maacutexima de la

ceacutelula solar Pm y la energiacutea de entrada de la luz incidente Pin

119875119862119864 = 119875119898

119875119894119899 119909 100

Siendo Pm el producto del voltaje y la densidad de corriente en el punto

maacuteximo 119875119898 = 119881119901119898 times 119869119901119898

A pesar del alto PCE que posee esta generacioacuten tiene un alto coste de

fabricacioacuten debido a los procesos de purificacioacuten cristalizacioacuten y corte del

silicio cristalino constituyendo un problema para esta generacioacuten de ceacutelulas

solares

Segunda Generacioacuten surge como consecuencia del alto coste que conlleva la

fabricacioacuten de las ceacutelulas solares basadas en silicio Se basan en introducir

una delgada laacutemina en la ceacutelula solar de silicio amorfo teluro de cadmio

(CdTe) y un compuesto de cobre indio galio y diseleniuro (CIGS) Aunque

soluciona los problemas del dispositivo de la primera generacioacuten resulta ser

menos eficiente que esta uacuteltima

Tercera Generacioacuten formada por compuestos orgaacutenicos como los nanotubos

colorantes orgaacutenicos poliacutemeros y nuevos materiales como los quantum dots

6

que son pequentildeas partiacuteculas semiconductoras de un par de nanoacutemetros tan

pequentildeas que sus propiedades oacutepticas y eleacutectricas difieren de las de

partiacuteculas LED maacutes grandes y cuyo objetivo es reducir el coste e incrementar

la eficiencia (Nguyen et al 2018) Cabe mencionar que el intereacutes hacia este

tipo de ceacutelulas solares basadas en moleacuteculas y poliacutemeros orgaacutenicos

semiconductores ha experimentado un vertiginoso progreso lo que ha

permitido conseguir mejorar su PCE desde valores inferiores al 1 hasta

sobrepasar el 10 en poco maacutes de una deacutecada Esta raacutepida evolucioacuten ha

estado motivada por la posibilidad de generar paneles solares flexibles

ligeros y de bajo coste mediante meacutetodos de fabricacioacuten parecidos a la

impresioacuten de perioacutedicos (Campoy 2014)

Figura 1 Unidades repetitivas de poliacutemeros semiconductores (Lui S et al 2015)

Cuarta Generacioacuten esta generacioacuten se conoce como la generacioacuten hiacutebrida

ya que se combinan las ventajas de los materiales orgaacutenicos tales como su

bajo coste de fabricacioacuten su estructura flexible y su faacutecil procesamiento junto

con las de materiales inorgaacutenicos que poseen alta estabilidad y alto

transporte de carga (Nguyen et al 2018) Tambieacuten entran en esta categoriacutea

las ceacutelulas solares fabricadas con perovskitas aunque estas no han

conseguido auacuten llamar mucho la atencioacuten hasta la fecha debido a que no se

ha conseguido comprender ni controlar su funcionamiento su estabilidad y

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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4

RESUMEN

Durante las dos uacuteltimas deacutecadas el empleo de dispositivos fotovoltaicos

basados en compuestos orgaacutenicos ha recibido gran atencioacuten ya que permiten

mejorar la eficiencia reducir costes y conseguir mejorar las propiedades de las

ceacutelulas solares tradicionales basadas en silicio al ser maacutes ligeros flexibles y de faacutecil

procesado

En este Trabajo Fin de Grado se pretende estudiar teoacutericamente el

comportamiento del monoacutemero aceptor PNDIBS y del monoacutemero donador PBDB-T

como candidatos para ser utilizados en una ceacutelula solar de tercera generacioacuten

basadas en poliacutemeros de semiconductores orgaacutenicos Mediante caacutelculos mecano-

cuaacutenticos se han estudiado las variaciones estructurales que se producen en el

proceso de ionizacioacuten de las moleacuteculas y se han determinado sus propiedades

semiconductoras tales como la energiacutea de reorganizacioacuten band gap energiacutea de

orbitales HOMOLUMO entre otras Ademaacutes se han analizado las diferentes

posibilidades de unioacuten covalente entre las unidades aceptora y donadora estudiadas

asiacute como sus propiedades optoelectroacutenicas

ABSTRACT

Over the last two decades the use of photovoltaic devices based on organic

compounds has received great attention since they allow to improve the efficiency to

reduce costs and to improve the properties of the traditional solar cells based in

silicon to be lighter flexible and easy to process This work is intended to study

theoretically the behavior of the monomer acceptor PNDIBS and the monomer donor

PBDB-T as candidates for use in a third generation solar cell based on polymers of

organic semiconductors Through quantum-mechanical calculations the structural

variations that occur in the process of ionization of the molecules have been studied

and their semiconductor properties have been determined such as the reorganization

energy band gap orbital energy HOMOLUMO among others Subsequently we

have analyzed the different possibilities of covalent bond between the donor and

acceptor units studied as well as their optoelectronic properties

5

INTRODUCCIOacuteN

11 Preaacutembulo

A diacutea de hoy se sabe que el uso de los hidrocarburos como fuente de energiacutea

es contaminante para el medio ambiente ademaacutes los estudios revelan que en pocas

deacutecadas se agotaraacuten dichos recursos Como consecuencia surge la necesidad de

buscar nuevas fuentes de energiacuteas renovables y limpias

Una de esas fuentes renovables es la ceacutelula fotovoltaica o solar Desde la

aparicioacuten de las ceacutelulas solares hasta el diacutea de hoy se investiga para conseguir que

estas sean eficientes estables y con bajo coste de produccioacuten Su evolucioacuten a lo

largo de los antildeos ha llevado a clasificar las ceacutelulas solares en cuatro generaciones

Primera Generacioacuten son ceacutelulas solares basadas en el silicio y con una

eficiencia de la conversioacuten energeacutetica (PCE) del 20

La eficiencia de conversioacuten energeacutetica (PCE) (Zhou et al 2018) se

expresa como el cociente entre la salida de energiacutea maacutexima de la

ceacutelula solar Pm y la energiacutea de entrada de la luz incidente Pin

119875119862119864 = 119875119898

119875119894119899 119909 100

Siendo Pm el producto del voltaje y la densidad de corriente en el punto

maacuteximo 119875119898 = 119881119901119898 times 119869119901119898

A pesar del alto PCE que posee esta generacioacuten tiene un alto coste de

fabricacioacuten debido a los procesos de purificacioacuten cristalizacioacuten y corte del

silicio cristalino constituyendo un problema para esta generacioacuten de ceacutelulas

solares

Segunda Generacioacuten surge como consecuencia del alto coste que conlleva la

fabricacioacuten de las ceacutelulas solares basadas en silicio Se basan en introducir

una delgada laacutemina en la ceacutelula solar de silicio amorfo teluro de cadmio

(CdTe) y un compuesto de cobre indio galio y diseleniuro (CIGS) Aunque

soluciona los problemas del dispositivo de la primera generacioacuten resulta ser

menos eficiente que esta uacuteltima

Tercera Generacioacuten formada por compuestos orgaacutenicos como los nanotubos

colorantes orgaacutenicos poliacutemeros y nuevos materiales como los quantum dots

6

que son pequentildeas partiacuteculas semiconductoras de un par de nanoacutemetros tan

pequentildeas que sus propiedades oacutepticas y eleacutectricas difieren de las de

partiacuteculas LED maacutes grandes y cuyo objetivo es reducir el coste e incrementar

la eficiencia (Nguyen et al 2018) Cabe mencionar que el intereacutes hacia este

tipo de ceacutelulas solares basadas en moleacuteculas y poliacutemeros orgaacutenicos

semiconductores ha experimentado un vertiginoso progreso lo que ha

permitido conseguir mejorar su PCE desde valores inferiores al 1 hasta

sobrepasar el 10 en poco maacutes de una deacutecada Esta raacutepida evolucioacuten ha

estado motivada por la posibilidad de generar paneles solares flexibles

ligeros y de bajo coste mediante meacutetodos de fabricacioacuten parecidos a la

impresioacuten de perioacutedicos (Campoy 2014)

Figura 1 Unidades repetitivas de poliacutemeros semiconductores (Lui S et al 2015)

Cuarta Generacioacuten esta generacioacuten se conoce como la generacioacuten hiacutebrida

ya que se combinan las ventajas de los materiales orgaacutenicos tales como su

bajo coste de fabricacioacuten su estructura flexible y su faacutecil procesamiento junto

con las de materiales inorgaacutenicos que poseen alta estabilidad y alto

transporte de carga (Nguyen et al 2018) Tambieacuten entran en esta categoriacutea

las ceacutelulas solares fabricadas con perovskitas aunque estas no han

conseguido auacuten llamar mucho la atencioacuten hasta la fecha debido a que no se

ha conseguido comprender ni controlar su funcionamiento su estabilidad y

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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5

INTRODUCCIOacuteN

11 Preaacutembulo

A diacutea de hoy se sabe que el uso de los hidrocarburos como fuente de energiacutea

es contaminante para el medio ambiente ademaacutes los estudios revelan que en pocas

deacutecadas se agotaraacuten dichos recursos Como consecuencia surge la necesidad de

buscar nuevas fuentes de energiacuteas renovables y limpias

Una de esas fuentes renovables es la ceacutelula fotovoltaica o solar Desde la

aparicioacuten de las ceacutelulas solares hasta el diacutea de hoy se investiga para conseguir que

estas sean eficientes estables y con bajo coste de produccioacuten Su evolucioacuten a lo

largo de los antildeos ha llevado a clasificar las ceacutelulas solares en cuatro generaciones

Primera Generacioacuten son ceacutelulas solares basadas en el silicio y con una

eficiencia de la conversioacuten energeacutetica (PCE) del 20

La eficiencia de conversioacuten energeacutetica (PCE) (Zhou et al 2018) se

expresa como el cociente entre la salida de energiacutea maacutexima de la

ceacutelula solar Pm y la energiacutea de entrada de la luz incidente Pin

119875119862119864 = 119875119898

119875119894119899 119909 100

Siendo Pm el producto del voltaje y la densidad de corriente en el punto

maacuteximo 119875119898 = 119881119901119898 times 119869119901119898

A pesar del alto PCE que posee esta generacioacuten tiene un alto coste de

fabricacioacuten debido a los procesos de purificacioacuten cristalizacioacuten y corte del

silicio cristalino constituyendo un problema para esta generacioacuten de ceacutelulas

solares

Segunda Generacioacuten surge como consecuencia del alto coste que conlleva la

fabricacioacuten de las ceacutelulas solares basadas en silicio Se basan en introducir

una delgada laacutemina en la ceacutelula solar de silicio amorfo teluro de cadmio

(CdTe) y un compuesto de cobre indio galio y diseleniuro (CIGS) Aunque

soluciona los problemas del dispositivo de la primera generacioacuten resulta ser

menos eficiente que esta uacuteltima

Tercera Generacioacuten formada por compuestos orgaacutenicos como los nanotubos

colorantes orgaacutenicos poliacutemeros y nuevos materiales como los quantum dots

6

que son pequentildeas partiacuteculas semiconductoras de un par de nanoacutemetros tan

pequentildeas que sus propiedades oacutepticas y eleacutectricas difieren de las de

partiacuteculas LED maacutes grandes y cuyo objetivo es reducir el coste e incrementar

la eficiencia (Nguyen et al 2018) Cabe mencionar que el intereacutes hacia este

tipo de ceacutelulas solares basadas en moleacuteculas y poliacutemeros orgaacutenicos

semiconductores ha experimentado un vertiginoso progreso lo que ha

permitido conseguir mejorar su PCE desde valores inferiores al 1 hasta

sobrepasar el 10 en poco maacutes de una deacutecada Esta raacutepida evolucioacuten ha

estado motivada por la posibilidad de generar paneles solares flexibles

ligeros y de bajo coste mediante meacutetodos de fabricacioacuten parecidos a la

impresioacuten de perioacutedicos (Campoy 2014)

Figura 1 Unidades repetitivas de poliacutemeros semiconductores (Lui S et al 2015)

Cuarta Generacioacuten esta generacioacuten se conoce como la generacioacuten hiacutebrida

ya que se combinan las ventajas de los materiales orgaacutenicos tales como su

bajo coste de fabricacioacuten su estructura flexible y su faacutecil procesamiento junto

con las de materiales inorgaacutenicos que poseen alta estabilidad y alto

transporte de carga (Nguyen et al 2018) Tambieacuten entran en esta categoriacutea

las ceacutelulas solares fabricadas con perovskitas aunque estas no han

conseguido auacuten llamar mucho la atencioacuten hasta la fecha debido a que no se

ha conseguido comprender ni controlar su funcionamiento su estabilidad y

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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6

que son pequentildeas partiacuteculas semiconductoras de un par de nanoacutemetros tan

pequentildeas que sus propiedades oacutepticas y eleacutectricas difieren de las de

partiacuteculas LED maacutes grandes y cuyo objetivo es reducir el coste e incrementar

la eficiencia (Nguyen et al 2018) Cabe mencionar que el intereacutes hacia este

tipo de ceacutelulas solares basadas en moleacuteculas y poliacutemeros orgaacutenicos

semiconductores ha experimentado un vertiginoso progreso lo que ha

permitido conseguir mejorar su PCE desde valores inferiores al 1 hasta

sobrepasar el 10 en poco maacutes de una deacutecada Esta raacutepida evolucioacuten ha

estado motivada por la posibilidad de generar paneles solares flexibles

ligeros y de bajo coste mediante meacutetodos de fabricacioacuten parecidos a la

impresioacuten de perioacutedicos (Campoy 2014)

Figura 1 Unidades repetitivas de poliacutemeros semiconductores (Lui S et al 2015)

Cuarta Generacioacuten esta generacioacuten se conoce como la generacioacuten hiacutebrida

ya que se combinan las ventajas de los materiales orgaacutenicos tales como su

bajo coste de fabricacioacuten su estructura flexible y su faacutecil procesamiento junto

con las de materiales inorgaacutenicos que poseen alta estabilidad y alto

transporte de carga (Nguyen et al 2018) Tambieacuten entran en esta categoriacutea

las ceacutelulas solares fabricadas con perovskitas aunque estas no han

conseguido auacuten llamar mucho la atencioacuten hasta la fecha debido a que no se

ha conseguido comprender ni controlar su funcionamiento su estabilidad y

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Page 7: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

7

eficiencia a pesar de tener un PCE mayor del 20 siendo este superior al

de las ceacutelulas solares orgaacutenicas (Ayoub et al 2018)

De las cuatro generaciones mencionadas anteriormente nos vamos centrar

en la tercera generacioacuten de ceacutelulas solares Estaacuten formadas por una capa activa de

material orgaacutenico atrapado entre dos electrodos La capa activa estaacute constituida por

un material donador (tipo-p) de electrones y un material aceptor (tipo-n) El fullereno

y sus derivados han sido muy utilizados como material aceptor en este tipo de

ceacutelulas solares ya que muestran una buena solubilidad en disolventes orgaacutenicos

(como cloroformo clorobenceno etc) alta afinidad electroacutenica y una alta movilidad

de electrones Sin embargo estos materiales tienen defectos posibilidad limitada de

modificar la estructura quiacutemica y niveles de energiacutea baja capacidad de absorcioacuten en

el espectro visible e infrarrojo alto coste y pobre adaptacioacuten mecaacutenica Por tanto es

necesario encontrar un nuevo material aceptor para solucionar este problema

Los aceptores de electrones distintos a los fullerenos (NFA) pueden ser tanto

moleacuteculas pequentildeas como poliacutemeros que han generado gran intereacutes debido a sus

ventajas tales como un amplio espectro de absorcioacuten una estructura quiacutemica

ajustable y maacutes estabilizada Con las moleacuteculas orgaacutenicas pequentildeas distintas al

furelleno se ha conseguido un PCE del 14 mientras que las ceacutelulas solares

orgaacutenicas basadas en poliacutemeros se han obtenido valores de PCE del orden del 10

Comparado con las moleacuteculas pequentildeas los poliacutemeros aceptores de electrones

poseen cualidades adicionales como una alta estabilidad morfoloacutegica y una mejor

compatibilidad aceptora debido a que los poliacutemeros aceptores son maacutes duacutectiles que

las moleacuteculas pequentildeas aceptoras y pueden enredarse mejor con otras cadenas de

poliacutemeros (Liu et al 2019)

La ventaja para la utilizacioacuten de este tipo de poliacutemeros se debe a su estrecho

band gap y a que absorben a largas longitudes de onda Por otro lado se ha

conseguido una alta eficiencia en las ceacutelulas solares de poliacutemeros siendo uno de los

desafiacuteos maacutes importantes a nivel molecular el desarrollo de moleacuteculas

semiconductoras tipo-p ideales con una gran movilidad de carga de huecos para un

transporte eficiente de huecos Para superar este desafiacuteo se han disentildeado

copoliacutemeros alternados donador-aceptor que son una excelente eleccioacuten para

mejorar el rendimiento de transferencia de carga intramolecular durante la excitacioacuten

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Page 8: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

8

y la sostenibilidad de las propiedades electroacutenicas y optoelectroacutenicas En el caso de

los poliacutemeros estudiados en esta memoria de Trabajo Fin de Grado el material

orgaacutenico activo es una mezcla de un poliacutemero aceptor y otro donador de electrones

12 Semiconductor y poliacutemeros semiconductores

A finales de los antildeos setenta se descubrioacute que ciertos poliacutemeros adquieren un

aspecto metaacutelico cuando son expuestos a altas concentraciones de moleacuteculas

dopantes Por lo tanto ciertos poliacutemeros podiacutean ser dopados hasta convertirse en

conductores El descubrimiento y desarrollo de los poliacutemeros conductores fue

reconocido con el Premio Nobel de Quiacutemica en el antildeo 2000 a los profesores Alan

Heeger Hideki Sirakawa y Alan MacDiarmid Desde entonces ha surgido un sinfiacuten

de nuevas aplicaciones que combinan las caracteriacutesticas tiacutepicas de los plaacutesticos con

las propiedades oacutepticas y eleacutectricas de los conductores y semiconductores (Campoy

2014)

En los poliacutemeros tradicionales los electrones suelen estar localizados en

torno al eje que une los aacutetomos de carbono (enlaces tipo σ) y requieren una gran

energiacutea para ser excitados (gt5 eV) En los poliacutemeros orgaacutenicos semiconductores π

conjugados tambieacuten llamados poliacutemeros conjugados alternan enlaces simples y

dobles y se produce la deslocalizacioacuten de los electrones en los enlaces tipo π Esta

deslocalizacioacuten parcial de la funcioacuten de onda electroacutenica viene acompantildeada de una

menor energiacutea de transicioacuten HOMO-LUMO Sin embargo los electrones no estaacuten

deslocalizados a lo largo de toda la cadena principal puesto que en la praacutectica hay

defectos estructurales o quiacutemicos sino solamente a lo largo de varios monoacutemeros A

esta longitud se la conoce como longitud de conjugacioacuten En este tipo de materiales

la transicioacuten entre el estado π y el estado π es la que corresponde al band gap

oacuteptico (Campoy 2014)

Un semiconductor es una sustancia cuya conductividad eleacutectrica aumenta a

medida que se eleva la temperatura Generalmente un semiconductor tiene menor

conductividad que la tiacutepica de los metales pero la magnitud de la conductividad no

es un criterio para la distincioacuten Es conveniente clasificar a los semiconductores con

conductividades eleacutectricas muy bajas tal como la mayoriacutea de los poliacutemeros

sinteacuteticos como aislantes Cuando cada aacutetomo provee dos electrones los 2N

electrones llenan los N orbitales de la banda s El nivel de Fermi se encuentra en la

9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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9

parte superior de la banda (a T = 0) y hay una brecha (gap) antes de que comience

la siguiente banda A medida que aumenta la temperatura la cola de distribucioacuten de

Fermi-Dirac se extiende a traveacutes de la brecha (gap) y los electrones dejan la banda

inferior que se denomina banda de valencia y ocupan los orbitales vaciacuteos de la

banda superior que se denominan banda de conduccioacuten Como consecuencia de la

promocioacuten de electrones quedan ``huecosacuteacute cargados positivamente en la banda de

valencia Ahora los huecos y los electrones promovidos son moacuteviles y el soacutelido es un

conductor eleacutectrico En realidad es un semiconductor debido a que la conductividad

eleacutectrica depende del nuacutemero de electrones que son promovidos a traveacutes de la

brecha la cual aumenta a medida que se incrementa la temperatura Si la brecha es

grande muy pocos electrones seraacuten promovidos a temperaturas ordinarias la

conductividad permaneceraacute cercana a cero y el material seraacute un aislante Asiacute la

distincioacuten convencional entre aislante y un semiconductor se relaciona con el tamantildeo

de la banda prohibida y no es una distincioacuten absoluta como la que se hace entre un

metal (bandas incompletas a T = 0) y un semiconductor (bandas completas a T = 0)

(P Atkins et al 2008) Las propiedades optoelectroacutenicas de poliacutemeros π-

conjugados dependen de la diferencia de energiacutea entre su orbital molecular maacutes alto

ocupado (HOMO) o banda de valencia y el orbital molecular maacutes bajo desocupado

(LUMO) que es definida como la energiacutea o hueco de banda (Eg) La conductividad

de los poliacutemeros π-conjugados aumenta cuando el band gap disminuye siempre y

cuando haya una morfologiacutea similar entre los dos materiales Una explicacioacuten es la

alta poblacioacuten de portadores de carga generada teacutermicamente dentro de la banda de

conduccioacuten (Sun y Dalton 2008)

Figura 2 Diagrama que representa la Teoriacutea de bandas

Ene

rgiacutea

Ban

da d

e co

nd

uccioacute

nB

and

a de valen

cia

Band gap

10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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10

En los poliacutemeros convencionales la diferencia de energiacutea entre ambas

bandas (band gap o Eg) es grande en general mayor que 20 eV Cuando a

temperaturas normales se aplica un campo eleacutectrico sobre el poliacutemero la energiacutea

adicional que adquieren sus electrones no es suficiente para que estos puedan

pasar de la banda de valencia a la banda de conduccioacuten En consecuencia los

electrones no pueden moverse libremente por el interior del material estos son los

denominados poliacutemeros aislantes Los poliacutemeros conductores maacutes comunes

presentan una distribucioacuten alterna de enlaces C-C y C=C a lo largo de sus

moleacuteculas Este hecho permite una deslocalizacioacuten considerable de los electrones

de valencia a lo largo del sistema π de la cadena polimeacuterica Sin embargo esta

deslocalizacioacuten no suele ser suficiente para que el material sea conductor El

poliacutemero neutro con estas caracteriacutesticas puede convertirse en conductor si se hace

reaccionar con un agente oxidante (o con uno reductor) El proceso que tiene lugar

es una reaccioacuten redox entre las cadenas polimeacutericas y los aceptores (o donadores)

de electrones (Casanovas et al 2005)

13 Estructura y funcionamiento de una ceacutelula solar orgaacutenica

Las ceacutelulas solares permiten transformar directamente en electricidad la

energiacutea de los fotones que componen el espectro visible de la luz solar Esto es

posible gracias a la estructura del dispositivo y al material con el que estaacute construido

dicho dispositivo

La estructura maacutes simple de un dispositivo fotovoltaico orgaacutenico consiste en la

capa activa dispuesta entre los dos electrodos El aacutenodo suele ser un conductor

transparente (como el oacutexido de estantildeo e indio ITO) cubierto de una laacutemina de un

conductor orgaacutenico (PEDOTPSS) que aisla la superficie y ayuda a la compatibilidad

eleacutectrica entre el oacutexido metaacutelico y el semiconductor El caacutetodo suele ser un metal

como el aluminio A veces se introduce una laacutemina de calcio o de fluoruro de litio

entre el caacutetodo y el semiconductor para facilitar la extraccioacuten selectiva de los

electrones

11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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11

Figura 3 Ejemplo de dispositivo fotovoltaico orgaacutenico (Lui et al 2015)

La serie sucesiva de pasos en la generacioacuten de electricidad en una ceacutelula

solar orgaacutenica seriacutea [1] Absorcioacuten de un fotoacuten por el poliacutemero [2] formacioacuten del

excitoacuten en la capa activa (especie neutra y con un par de enlace electroacuten-hueco

fuerte) Para que se genere corriente los excitones necesitan ser separados en

electrones libres y huecos Para la mayoriacutea de los materiales orgaacutenicos la energiacutea

de unioacuten tiacutepica del excitoacuten estaacute sobre 03-05 eV (Nguyen et al 2018) Una vez que

se separa el excitoacuten en cargas libres [3] estas se transportan [4] por cada uno de los

materiales hasta ser recogidas en los electrodos [5] Esta forma de funcionar

establece un punto clave se necesitan dos semiconductores para que la ceacutelula solar

funcione uno tipo p (o donador de electrones) y otro tipo n (o aceptor de electrones)

(Campoy 2014)

14 Sistemas quiacutemicos objeto de estudio

En este trabajo se ha estudiado el poliacutemero de caraacutecter aceptor poliNNrsquo-bis(2-

deciltetradecil)-naftalen-1458-bis(dicarboximida)-26-diyl]-alt-5-5rsquo-(22rsquo-

biselenofeno)] abreviado PNDIBS y un poliacutemero de caraacutecter donador poli[(26-(48-

bis(5-(2-etilhexil)tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-b45brsquo]ditiofeno)-co-(13-

di(5-tiofen-2-yl)-57-bis(2-etilhexil)benzo[12-c45-crsquo]ditiofen-48-diona)] abreviado

PBDB-T A continuacioacuten en las Figuras 4 y 5 se muestran las estructuras

moleculares de los monoacutemeros constituyentes Dichos poliacutemeros han sido

sintetizados y caracterizados en un trabajo reciente (Kolhe et al 2018)

Al

Ca

PEDOTPSS

ITO

CristalSustrato

Capa activa

Capa de transporte de huecos

Inyector de carga y electrodo superior

12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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12

Figura 4 Estructura molecular del monoacutemero de PNDIBS

En este trabajo se va a llevar a cabo modelizacioacuten molecular mediante

quiacutemica computacional que nos permite disentildear moleacuteculas con las caracteriacutesticas y

propiedades deseadas sin necesidad de recurrir a la experimentacioacuten en un

laboratorio y asiacute encontrar una moleacutecula que cumpla con los requisitos

preestablecidos Esto conlleva un ahorro econoacutemico y de tiempo sin necesidad de

usar el laboratorio Los caacutelculos basados en la quiacutemica cuaacutentica nos permiten

realizar optimizaciones de geometriacuteas calcular las frecuencias vibracionales y

predecir propiedades electroacutenicas entre otras (Bertraacuten 2002)

Figura 5 Estructura molecular del monoacutemero de PBDB-T

Unidad Aceptora

Unidad Donadora

13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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13

A partir del trabajo realizado por N Kolhe y colaboradores (Kolhe et al 2018)

se va a llevar a cabo un estudio teoacuterico mediante quiacutemica computacional de los

poliacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T Mediante modelizacioacuten molecular se va a

estudiar la geometriacutea longitudes de enlace y aacutengulos diedros tanto en estado

neutro como cuando estos sistemas ganan o pierden un electroacuten Se van a estudiar

propiedades electroacutenicas tales como energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones afinidad electroacutenica y potencial de ionizacioacuten ademaacutes del band gap

Como un avance en el estudio de estos compuestos tambieacuten se va a estudiar las

propiedades electroacutenicas de diacutemeros donadores-aceptor entre dichas unidades a

diferencia del trabajo de Kolhe en el que los poliacutemeros donador-aceptor estaacuten unidos

masivamente

OBJETIVOS

El objetivo general es el estudio de la estructura molecular y de propiedades

electroacutenicas de los monoacutemeros constituyentes de los poliacutemeros PNDIBS y PBDB-T

Para ello se plantean los siguientes objetivos especiacuteficos

-Optimizacioacuten de las geometriacuteas moleculares de las unidades monomeacutericas de

PNDIBS y del PBDB-T junto con el caacutelculo de frecuencias vibracionales para las

especies neutra anioacutenica y catioacutenica

-Buacutesqueda de los confoacutermeros maacutes estables mediante la realizacioacuten de barreras de

energiacutea potencial

-Anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales los cuales nos informaraacuten de variaciones

en la estructura cuando las moleacuteculas se ionizan

-Determinacioacuten de la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y electrones caacutelculo de

los niveles de energiacutea de los orbitales moleculares HOMO y LUMO la afinidad

electroacutenica el potencial de ionizacioacuten y el band gap

- Estudio de las propiedades electroacutenicas de los diacutemeros covalentes formados a

partir de los monoacutemeros como una primera aproximacioacuten al poliacutemero

14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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14

-Caacutelculo del espectro de absorcioacuten en clorobenceno y asignacioacuten de las transiciones

electroacutenicas mediante la comparacioacuten con el espectro experimental cuando sea

posible

MEacuteTODOLOGIacuteA

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas del transporte de carga a

partir de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

(Bertraacuten 2002) implementados en Gaussian09 (Frisch et al 2016) y tambieacuten se ha

empleado la interfaz graacutefica GaussView 50 (Dennington et al 2009)

15 Teoriacutea del Funcional de la Densidad (DFT)

La teoriacutea del funcional de la densidad es uno de los procedimientos

computacionales maacutes empleados en la actualidad para los caacutelculos de la estructura

electroacutenica molecular La idea baacutesica de este meacutetodo es que la energiacutea de un

sistema electroacutenico puede ser descrita en teacuterminos de probabilidad de la densidad

electroacutenica ρ Para un sistema de electrones Ne ρ(r) indica la densidad total

electroacutenica en un punto particular r en el espacio Como en el desarrollo del meacutetodo

de Thomas-Fermi para aacutetomos la energiacutea electroacutenica E es tratada como un

funcional de la densidad electroacutenica y se indica E [ρ] en el sentido de que para una

funcioacuten ρ(r) dada le corresponde una uacutenica energiacutea

Una de las ventajas para usar el meacutetodo DFT es que la aproximacioacuten utiliza

una uacutenica funcioacuten tridimensional para un electroacuten molecular Ne que es la densidad

electroacutenica Ademaacutes la funcioacuten de onda del electroacuten Ne tiene un umbral donde los

electrones se aproximan unos a otros considerando la densidad electroacutenica (Atkins y

Friedman 2010)

Los meacutetodos del funcional de la densidad tambieacuten permiten calcular la

energiacutea de un sistema incluyendo la correlacioacuten electroacutenica La base de la teoriacutea del

funcional de la densidad es el teorema de Hohenberg-Kohn el cual afirma que la

energiacutea del estado electroacutenico fundamental de un sistema puede determinarse si se

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Page 15: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

15

conoce su densidad electroacutenica ρ (119903) Es decir la energiacutea es un funcional de la

densidad y se expresa de la siguiente forma

E (ρ) = T (ρ) + Een (ρ) + Eee (ρ)

Donde T (ρ) representa la energiacutea cineacutetica Een (ρ) la energiacutea de interaccioacuten

electroacuten-nuacutecleo y Eee (ρ) la energiacutea de interaccioacuten electroacuten-electroacuten Sin embargo el

teorema no dice cuaacutel es la forma exacta del funcional o como construirlo Para

solucionarlo se aplica el formalismo de Kohn y Sham al considerar un sistema de 2N

electrones sin interaccionar descrito por unos orbitales ψi de forma que la densidad

electroacutenica del sistema ρs (119903) coincida con la del sistema real ρ (119903) en el que siacute hay

interacciones Por tanto la ecuacioacuten se reescribe de la siguiente manera

E (ρ) = Ts (ρ) + Een (ρ) + J (ρ) + Exc (ρ)

Donde Ts (ρ) es una aproximacioacuten a la energiacutea cineacutetica real T (ρ) que

corresponde a la de un sistema de N electrones sin interaccionar

119879119904(120588) = sum ⟨ψi|minus

nabla( ) |ψi⟩119873

119894=

J (ρ) es la energiacutea de interaccioacuten de Coulomb electroacuten-electroacuten claacutesica y Exc

es el denominado teacutermino de correlacioacuten e intercambio

Exc (ρ) = T (ρ) - Ts (ρ) + Eee (ρ) - J (ρ)

Puede observarse que Exc (ρ) engloba el resto de la energiacutea cineacutetica que no

se teniacutea en cuenta en Ts (ρ) por asumir un sistema de partiacuteculas independientes

ademaacutes de la energiacutea de interaccioacuten no claacutesica electroacuten-electroacuten La dificultad

fundamental reside en encontrar en la teoriacutea del funcional de la densidad las

expresiones adecuadas para EXC (ρ) pero asumiendo que se conoce dicho

funcional El problema a resolver es muy parecido al del meacutetodo de Hartree-Fock es

decir se debe determinar el conjunto de orbitales ψi que minimicen la energiacutea con el

requerimiento de que esos sean ortogonales Las ecuaciones que resultan son las

denominadas ecuaciones Khon-Sham

ℎ119870119878(1) ψi = [minus

nabla( ) + 119907119890119891(1) ]ψi = 휀119894ψi

donde

119907119890119891(1) = 119907119890119899(1) + 2 sum 119869119894(1) + 119909119888(1)119873119894=

Es un potencial efectivo que incluye el potencial de atraccioacuten electroacuten-nuacutecleo

Ven el de repulsioacuten electroacuten-electroacuten claacutesico

sum 119869119894(1)119873119894=

16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

BIBLIOGRAFIacuteA

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16

Y el potencial de correlacioacuten e intercambio

119909119888 =120575119864119909119888120575120588(119903)

Dado que 119907119890119891(1) depende de la densidad electroacutenica total la determinacioacuten

de los orbitales ψi debe realizarse de forma iterativa Si se conociera exactamente

Exc(ρ) la resolucioacuten de estas ecuaciones dariacutea la energiacutea exacta del estado

fundamental de un sistema incluyendo por tanto toda la correlacioacuten electroacutenica El

meacutetodo del funcional de la densidad incluye la correlacioacuten electroacutenica aunque de

forma aproximada porque el funcional no es exacto

El tipo de funcional a utilizar en el caso de este trabajo seraacute un funcional

hiacutebrido que es aquel que incorporan parte del energiacutea de intercambio exacta de

Hartree-Fock (119864119909119867119865) en el funcional de intercambio Dado que el operador de

intercambio de Hartree-Fock corresponde a un potencial no local estos funcionales

hiacutebridos se denominan tambieacuten no locales De esta manera el maacutes utilizado es el

propuesto por Becke (B3) en 1993 en el que el funcional se expresa de la siguiente

forma

119864119883119862119861 = 119864119883

119871119863119860 + 1198860(119864119909119867119865 minus 119864119883

119871119863119860) + 119886119909∆119864119909119861 + 119864119909

119871119863119860 + 119886119888∆1198641198881198751198829

Donde a0 ax y ac son tres coeficientes que se obtienen a partir de un ajuste a

datos experimentales termodinaacutemicos y el funcional de correlacioacuten utilizado para el

ajuste es el PW91 A menudo este funcional de intercambio se combina con el

funcional de correlacioacuten LYP con lo que el meacutetodo toma el nombre de B3LYP El

funcional de correlacioacuten LYP (desarrollado por Lee Yang y Parr) es una correccioacuten

de gradiente que da lugar a los llamados meacutetodos de gradiente generalizado

(Bertraacuten 2002)

En cuanto a la funcioacuten de base se puede emplear la serie 6-31G que usa

seis primitivas en cada CGTF (Funcioacuten Tipo Gaussiana Contraiacuteda siendo la

gaussiana contraiacuteda la combinacioacuten lineal de tres gaussianas primitivas) de capa

interna y representa cada orbital molecular de la capa de valencia por la CGTF con

tres primitivas y una gaussiana con una primitiva La base 6-31G (definida para los

aacutetomos comprendidos entre H y Zn) es una base doble zeta polarizada que antildeade a

la serie 6-31G seis funciones de polarizacioacuten gaussianas cartesianas del tipo d a

cada uno de los aacutetomos desde el Li hasta el Ca y diez funciones de polarizacioacuten

gaussiana cartesianas tipo f para cada uno de los aacutetomos desde el Sc hasta el Zn

Con las funciones de polarizacioacuten se consigue desplazar la densidad de carga de los

17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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17

nuacutecleos a la zona del enlace en la moleacutecula La base 6-31G antildeade a la serie 6-31G

una serie de tres funciones de polarizacioacuten gaussiana tipo p para cada aacutetomo de

hidroacutegeno y de helio Las series 6-31G y 6-31G se denotan algunas veces como 6-

31G (d) y 6-31G (d p) respectivamente (Levine 2001)

En este trabajo se ha seleccionado B3LYP6-31G para la optimizacioacuten de

geometriacuteas moleculares Ademaacutes se han calculado frecuencias vibracionales para

asegurar que se trata de miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial y no de

puntos de silla Estudios recientes muestran que el funcional B3LYP ha tenido un

notable eacutexito en la resolucioacuten de una gran variedad de sistemas polimeacutericos y

monomeacutericos (Zheng et al 2018)

Ademaacutes mediante la Teoriacutea del Funcional de la Densidad Dependiente del

Tiempo (TD-DFT) se han obtenido los espectros teoacutericos de absorcioacuten en disolucioacuten

y se han calculado las transiciones electroacutenicas verticales que tienen lugar entre el

estado fundamental S0 y los distintos estados excitados Sn haciendo uso del

meacutetodo TD-B3LYP6-31G

16 Propiedades a estudiar

161 Afinidad electroacutenica potencial de ionizacioacuten y band gap

La afinidad electroacutenica es la energiacutea que se libera cuando un aacutetomo o una

moleacutecula adquiere un electroacuten y se genera el correspondiente anioacuten

EA = E0 (G0) ndash E- (G-) donde E0 (G0) representa la energiacutea de la moleacutecula

neutra en su geometriacutea de equilibrio y E- (G-) representa la energiacutea de la moleacutecula

en estado anioacutenico en su geometriacutea anioacutenica

El potencial de ionizacioacuten es la energiacutea necesaria para extraer un electroacuten a

un aacutetomo o moleacutecula produciendo su catioacuten correspondiente

IP = E+ (G+) ndash E0 (G0) donde E+ (G+) representa la energiacutea de la moleacutecula en

estado catioacutenico en su geometriacutea catioacutenica

Para que se produzca un transporte de carga eficiente la afinidad electroacutenica

debe ser lo suficientemente alta (al menos 30 eV pero no superior a 40 eV)

(Newman et al 2004) Asiacute mismo el potencial de ionizacioacuten debe ser

suficientemente bajo Como referencia el valor calculado con B3LYP6-31G del

18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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18

potencial de ionizacioacuten para semiconductores orgaacutenicos tiacutepicos es de 59 eV para el

pentaceno y de 64 eV para el perileno (Delgado et al 2009)

En el estudio del band gap es necesario conocer el nivel de energiacutea del

orbital molecular maacutes alto ocupado en la banda de valencia (HOMO) y el orbital

molecular maacutes bajo desocupado en la banda de conduccioacuten (LUMO) (Blythe y

Bloor 2005) siendo el band gap (Eg) la diferencia de energiacutea entre el nivel de

energiacutea del HOMO y del LUMO

162 Movilidad de carga

La movilida de carga micro caracteriza la habilidad de una carga para moverse

en un material semiconductor y es el paraacutemetro esencial para determinar el

rendimiento total de los dispositivos electroacutenicos Por definicioacuten es la velocidad

media de los portadores de carga en la corriente eleacutectrica ν adquirida por la

conduccioacuten del campo eleacutectrico F quedando como micro= νF (cm2Vs) El transporte de

carga en semicondoctores orgaacutenicos suele venir descrito mediante el denominado

mecanismo de hopping que consiste en saltos sucesivos de la carga de moleacutecula en

moleacutecula superando la trampa causada por la dispersioacuten del electroacuten con las

vibraciones intramoleculares

Debido a que solo las cargas pueden ser generadas teacutermicamente por

excitacioacuten de electrones a traveacutes del band gap desde la banda de valencia al estado

aceptor o desde donadores a la banda de conduccioacuten es posible mover la carga

entre estados localizados mediante excitacioacuten teacutermica Como requerimiento de la

conduccioacuten el electroacuten debe adquirir energiacutea para poder excitarse y poder

desplazarse a un hueco generando un nuevo hueco que seraacute ocupado por otro

electroacuten que sufra el mismo proceso y estos desplazamientos deben superar cierto

valor energeacutetico debido a que no todos los valores de energiacutea que adquiere el

electroacuten son posibles para generar la excitacioacuten de este (Blythe y Bloor 2005)

La teoriacutea de Marcus permite determinar la velocidad de transferencia

electroacutenica en el proceso de hopping mediante la expresioacuten (Shuai et al 2011)

119896 =4120587

1

radic4120587120582119896119861119879119881 119890119909119901 [

minus120582

4119896119861119879]

donde V es el acoplamiento electroacutenico o integral de transferencia de carga que

baacutesicamente representa la habilidad de los portadores de carga para moverse

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Zhou N y Facchetti A (2018) Naphthalenediimide (NDI) polymers for all-

polymer photovoltaics Materials Today 21(4) 377ndash390

Page 19: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

19

(lsquorsquotransferirsersquorsquo) entre moleacuteculas adyacentes Por lo tanto esta es la razoacuten principal

del caraacutecter anisotroacutepico de la movilidad del portador de carga dado que ese valor

estaacute directamente determinado por el solapamiento de la funcioacuten de onda

correspondiente a los huecos y electrones distribuidos en las moleacuteculas involucradas

en el proceso de transferencia de carga La magnitud de la integral de transferencia

de carga estaacute definida por la siguiente expresioacuten

119881 = ⟨Ψ119886|119867|Ψ119886⟩

Donde H es el Hamiltoniano electroacutenico del sistema mientras que Ψ119886 y Ψ119887

representa a las funciones de onda de dos estados adiabaacuteticos entre los que se

produce la transferencia de carga (Li et al 2016)

λ es la energiacutea de reorganizacioacuten que representa el exceso de energiacutea

vibracional que la moleacutecula libera durante la relajacioacuten desde un estado excitado al

estado fundamental y se compone de dos contribuciones la reorganizacioacuten interna

λi y la de polarizacioacuten externa λe El teacutermino formado por λi muestra el cambio en la

geometriacutea molecular que se produce desde el estado neutro al estado ionizado y

viceversa El teacutermino λe describe la energiacutea asociada a la polarizacioacuten electroacutenica

debida a las moleacuteculas vecinas Si se obtiene la superficie del potencial adiabaacutetico

de una moleacutecula neutra y cargada se puede calcular faacutecilmente la energiacutea de

reorganizacioacuten λi de la reaccioacuten de transferencia como la suma de los dos teacuterminos

de la energiacutea de relajacioacuten (i) la diferencia entre la energiacutea de la moleacutecula neutra en

su geometriacutea de equilibrio (E0(G0)) y en la geometriacutea relajada caracteriacutestica del ion

(E0(G)) y (ii) la diferencia entre la energiacutea del ion en su geometriacutea de equilibrio

(E(G)) y en la geometriacutea relajada del neutro (E(G0)) (Shuai et al 2011)

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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20

En este trabajo solo estudiaremos la reorganizacioacuten interna λi y por tanto

cuanto menor sea la energiacutea de reorganizacioacuten de la moleacutecula mayor seraacute la

velocidad de trasferencia de carga

La movilidad de carga se estima mediante la ecuacioacuten de Einstein-

Smoluchowski

120583ℎ119900119901 =119890119863

119896119861119879

donde D es el coeficiente de difusioacuten Cuando el transporte de carga se

produce a lo largo de una matriz unidimensional ideal de moleacuteculas con distancias

intermoleculares entre moleacuteculas l D pueden ser escritas como 119863 = (12)119896119897 donde

k es la constante de transferencia de carga y l representa la distancia entre dos

moleacuteculas partiacutecipes en el proceso de transferencia de carga

163 Recursos computacionales

Para el estudio de las propiedades electroacutenicas de transporte de carga a partir

de la geometriacutea molecular se ha hecho uso de meacutetodos quiacutemico-cuaacutenticos

implementados en el programa Gaussian09

Gaussian09 funciona procesando un fichero de entrada que se muestra en la

Figura 7 y proporciona un fichero de salida con los resultados de los caacutelculos

Estado excitado

Estado fundamental

ΔQ

(119864 ( 0)) (119864 ( ))

(1198640( 0))

(1198640( ))

Coordenada de reaccioacuten

Ener

giacutea

Figura 6 Esquema del caacutelculo de la energiacutea de reorganizacioacuten G0 es la geometriacutea del estado fundamental y E0 la energiacutea G la geometriacutea del estado excitado que

puede ser anioacuten o catioacuten y E corresponde a la energiacutea en dicho estado

21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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21

requeridos No obstante el procedimiento de preparar el fichero de entrada y

analizar los resultados obtenidos puede agilizarse y hacerse maacutes intuitivo con el

programa GaussView que no es maacutes que un entorno graacutefico para Gaussian09 que

podraacute determinar las caracteriacutesticas que poseen los poliacutemeros sujetos a estudio

Con dicho programa se podraacute calcular propiedades electroacutenicas del transporte

de carga como los orbitales moleculares HOMOLUMO band gap potencial de

ionizacioacuten y su afinidad electroacutenica y la energiacutea de reorganizacioacuten de huecos y

electrones

Figura 7 Fichero de entrada

RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

Todos los caacutelculos de este estudio se han realizado con la teoriacutea del funcional

de la densidad (DFT) empleando el funcional B3LYP y el conjunto de funciones de

base 6-31G implementados en el software Gaussian 09

-Nuacutemero de procesadores y memoria utilizada

-Nombre del fichero y extensioacuten

-Carga -Multiplicidad

-Tiacutetulo

-Meacutetodo de caacutelculo y funcioacuten de base

-Coordenadas de los aacutetomos

22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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22

17 Optimizacioacuten de las geometriacuteas

En las figuras 8 y 9 se muestran las unidades monomeacutericas PNDIBS y

PBDB-T que se han estudiado Se ha realizado una optimizacioacuten de la geometriacutea en

fase gas y se han calculado las frecuencias vibracionales de cada moleacutecula para

asegurar que no habiacutea frecuencias imaginarias lo que significa que todas las

geometriacuteas optimizadas son miacutenimos en la superficie de energiacutea potencial La

geometriacutea maacutes estable es la que converja en el miacutenimo y la de menor energiacutea Los

resultados de las optimizaciones se muestran en la Tabla 1

Tabla 1 Energiacuteas de las geometriacuteas optimizadas expresadas en Hartree y en kcalmol

Moleacutecula Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

PNDIBS Neutro -6132216632 -3848027259

PNDIBS Catioacuten -6132296689 -3848077495

PNDIBS Anioacuten -6131969654 -3847872277

PBDB-T Neutro -4874674069 -3058906725

PBDB-T Catioacuten -4874727459 -3058940228

PBDB-T Anioacuten -4874458326 -3058771344

Figura 8 PNDIBS con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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23

Figura 9 PBDB-T con la indicacioacuten de los aacutengulos diedros analizados

18 Paraacutemetros estructurales

En este apartado se va a proceder al anaacutelisis de los paraacutemetros estructurales

de los compuestos optimizados tanto en estado neutro como en estado ionizado

Asiacute resulta interesante determinar los cambios que se producen en las geometriacuteas

tras el proceso de ionizacioacuten afectando por ende a sus propiedades electroacutenicas y

de transporte de carga Con los datos recabados y mostrados en la Tabla 2

podemos observar que cuando la moleacutecula pasa de estado neutro al ionizado

(debido a la ganancia o peacuterdida de un electroacuten) se producen variaciones tanto en

las distancias de enlace como en los aacutengulos diedros Respecto a estos uacuteltimos

para que la movilidad de carga esteacute favorecida en el sistema debe haber un

incremento de la planaridad entre las distintas partes de la geometriacutea Asiacute cuanto

menor sea el valor del aacutengulo diedro es decir maacutes proacuteximo a 0deg esteacute mayor seraacute la

conjugacioacuten en la estructura molecular y maacutes favorecida estaraacute la movilidad de carga

y el transporte de huecos y electrones En cambio si se produce un aumento del

aacutengulo diedro las distintas unidades se encontraraacuten rotadas unas respecto a otras y

la movilidad de carga estaraacute menos favorecida

24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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24

Tabla 2 Paraacutemetros geomeacutetricos calculados para el PNDIBS en la forma neutra anioacuten y catioacuten Diferencia entre valores para la moleacutecula neutra y el anioacuten y entre la moleacutecula neutra y el catioacuten

Distancia de enlace (Aring) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C9-C23 1467 1469 1466 -0002 0001

C23-Se36 1896 1897 1867 -0002 0029

C24-C25 1415 1415 1384 0000 0031

C27-C29 1441 1438 1404 0003 0037

C29-Se37 1891 1898 1904 -0008 -0013

C30-C31 1424 1426 1399 -0002 0025

N38-C39 1469 1461 1473 0007 -0004

C10-O19 1222 1235 1229 -0014 -0007

C3-C7 1423 1436 1423 -0013 0000

C10-C38 1407 1414 1386 -0006 0021

C12-C13 1388 1409 1385 -0022 0003 C13-C14

1402

1381

1410

0021

-0008

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23 1153 1159 1171 -06 -18

C27-C29-37 1217 1216 1225 01 -08

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C6-C9-C23-Se36 (Φ1) -424 -421 -527 -03 103

C25-C27-C29-Se37 (Φ2) 199 164 16 35 183

Para la moleacutecula PNDIBS en la geometriacutea catioacutenica podemos apreciar que la

mayor variacioacuten de la longitud del enlace se produce en la zona de unioacuten de los dos

selenofenos A partir de los datos recogidos en la Tabla 2 y utilizando los valores de

Δ(N-A) y de Δ(C-A) podemos apreciar como la peacuterdida de un electroacuten en PNDIBS

provoca una disminucioacuten en las longitudes de varios enlaces de forma que eacutestos

adquieran una mayor fortaleza En el caso de la geometriacutea anioacutenica las variaciones

en la longitud del enlace se producen en la parte del fragmento de naftalen-diimida

observaacutendose un aumento de la longitud en la mayoriacutea de los enlaces

Si analizamos los resultados del aacutengulo diedro para la geometriacutea de la forma

catioacutenica se aprecia como la planaridad disminuye debido a que la peacuterdida del

electroacuten provoca un incremento del valor del aacutengulo diedro Φ2 respecto al estado

neutro haciendo que sea menos favorable para la movilidad de carga Sin embargo

el valor de Φ1 es maacutes proacuteximo a 0deg En cuanto a la estructura de la especie anioacutenica

comprobamos que hay un incremento de la planaridad reflejado tanto en el valor de

25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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25

Φ1 como en el de Φ2 cuando se gana un electroacuten el cual hace que la movilidad de

carga esteacute favorecida

Tabla 3 Paraacutemetros de enlace para el PBDB-T en la forma neutra anioacuten catioacuten Diferencia entre neutro y anioacuten y diferencia entre neutro y catioacuten

Distancia de enlace (Å) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(N-A) Δ(N-C)

C11-C7 1446 1420 1423 0026 0022

C45-C16 1449 1416 1437 0033 0012

C45-C46 1395 1424 1405 -0029 -0009

C7-C8 1369 1385 1394 -0016 -0025

C3-C25 1472 1469 1456 0003 0016

C6-C18 1474 1474 1464 0000 0009

C49-C50 1453 1450 1442 0003 0011

C59-O62 1235 1249 1236 -0013 0000

C60-C61 1439 1437 1439 0001 0000

C26-C28 1425 1425 1416 0000 0009

C53-C51 1413 1414 1406 -0001 0008

C16-S13 1763 1783 1758 -0020 0005

C45-S47 1758 1785 1760 -0027 -0002

C50-S52 1762 1771 1765 -0009 -0003

C64-S65 1742 1751 1738 -0009 0004

C64-C67 1499 1500 1498 -0001 0001

C25-S27 1760 1767 1760 -0007 0000

C4-S40 1765 1770 1763 -0005 0002

C7-S10 1772 1785 1761 -0013 0012

C18-S20 1759 1762 1760 -0002 0000 C30-C32

1500

1500

1498

0000

0002

Aacutengulo de enlace (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C45-C16-S13 1268 1277 1273 -09 -05

S13-C11-C7 1210 1215 1215 -05 -05

C3-C25-S27 1222 1225 1228 -02 -06

C6-C18-S20 1222 1223 1225 -01 -03

C49-C50-S52 1267 1275 1271 -08 -04

C4-S40-C41 909 912 910 -03 -01

C49-S47-C45 943 943 943 00 01

C66-S65-C64 938 935 939 03 -01

Aacutengulo diedro (ordm) Neutro Anioacuten Catioacuten Δ(n-a) Δ(n-c)

C46-C45-C15-S13 (Φ3) -172 -27 -68 -145 -104

S13-C11-C7-C8 (Φ4) 115 12 17 103 98

C4-C3-C25-S27 (Φ5) -558 -518 -440 -40 -117

C1-C6-C15-S20 (Φ5) 584 585 492 -01 92

C48-C49-C50-S52 (Φ6) 213 103 184 110 29

26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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26

En el caso del PBDB-T con los datos recabados de la Tabla 3 apreciamos

que para la geometriacutea del anioacuten la longitud de los enlaces se ve afectada

mayoritariamente a lo largo de la zona del benzo-tiofeno aumentando la longitud de

los enlaces pero provoca una disminucioacuten de la longitud de enlace en las zonas de

unioacuten puente del tiofeno central y en la de unioacuten del tiofeno con los benzo-ditiofeno

Para el caso de la geometriacutea catioacutenica las longitudes de los enlaces no sufren

grandes variaciones en la geometriacutea a excepcioacuten de los enlaces dobles y de los

enlaces unioacuten de los tiofenos

Los resultados para los aacutengulos diedros de la geometriacutea anioacutenica concluyen

que cuando se gana un electroacuten los valores de Φ3 y Φ4 se reducen aproximaacutendose

a 0ordm Analizando los dos diedros en Φ5 apenas hay contribucioacuten que afecte a la

planaridad en la zona del benzo-ditiofeno La peacuterdida del electroacuten hace que aumente

la planaridad en la zona del benzo-tiofeno correspondiente a Φ6 favoreciendo por

ende la movilidad de la carga aunque este efecto es insignificante en la geometriacutea

total debido a que cuando se produce la unioacuten de otra unidad por esa zona el

aacutengulo diedro se veraacute afectado Las modificaciones en la geometriacutea catioacutenica tienen

cierta similitud con la forma anioacutenica y es que cuando esta pierde un electroacuten Φ3 y

Φ4 tienen el mismo comportamiento que en la geometriacutea anioacutenica ya que se reduce

el aacutengulo diedro En el caso de Φ5 en la estructura catioacutenica hay un mayor

favorecimiento en la planaridad que en la estructura anioacutenica

19 Barreras de energiacutea para la determinacioacuten del confoacutermero maacutes

estable

El objetivo de realizar las barreras de energiacutea al variar el aacutengulo diedro para

los compuestos de PNDIBS y PBDB-T es la deteccioacuten de otros posibles confoacutermeros

estables Para ello se parte de la geometriacutea ya optimizada para cada monoacutemero y

se incrementa el valor del aacutengulo diedro considerado desde 0ordm hasta 180ordm en

intervalos de 10ordm manteniendo el resto de la geometriacutea molecular sin modificar Se

realiza un caacutelculo single-point con el que se obtiene el valor de la energiacutea para cada

geometriacutea rotada 10ordm y sin optimizar la moleacutecula Despueacutes se realiza una

representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (expresada en kcalmol) frente al aacutengulo

diedro (expresado en grados ordm) rotado

27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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27

Los resultados se muestran en las graacuteficas de las Figuras 10 y 11 para el

compuesto de PNDIBS y de las Figuras 12 a 15 para el monoacutemero de PBDB-T para

los aacutengulos diedros estudiados

Para el PNDIBS se analizan las rotaciones de los aacutengulos diedros φ1 (C6-

C9-C23-Se36) con sentido horario y φ2 (C25-C27-C29-Se37) con sentido antihorario

Para el PBDB-T se analizan φ3 (C46-C45-C16-S13) con sentido horario φ4 (C-8-C7-

C11-S13) con sentido antihorario y φ5 (C4-C3-C25-S27 y C1-C6-C18-S20) para las

que se han realizado las dos rotaciones simultaacuteneas del aacutengulo diedro En concreto

para φ5 se ha rotado en sentido horario el aacutengulo diedro C4-C3-C25-S27 y en

sentido antihorario el aacutengulo diedro C1-C6-C18-S20 Otra posibilidad en φ5 que

ahora pasa a llamarse Φ5b seriacutea cuando los aacutengulos diedros C4-C3-C25-S27 y C1-

C6-C18-S20 rotan ambos en sentido horario

Figura 10 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente al aacutengulo diedro φ1 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a

40deg y 100deg

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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28

Figura 11 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PNDIBS frente

al aacutengulo diedro φ2 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

150deg

Figura 12 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ3 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 20deg y

140deg

-05

00

05

10

15

20

25

30

35

40

45

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

-2

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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29

Figura 13 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ4 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 10deg y

160deg

Figura 14 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5 (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 50deg y

120deg

-1

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Ene

rgiacutea

re

lativa (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

000 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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30

Figura 15 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) de PBDB-T frente al aacutengulo diedro φ5b (ordm) Las flechas indican los confoacutermeros maacutes estables a 60deg y

120deg

Como se ha explicado anteriormente sobre las barreras de energiacutea el

confoacutermero con menor energiacutea relativa seraacute el conformero maacutes estable Para los

confoacutermeros del PNDIBS se ha determinado que para φ1 el confoacutermero maacutes estable

es aquel con valor de 40ordm En φ2 claramente se ve que el miacutenimo con menor energiacutea

es a 20ordm Los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras de

energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de las estructuras optimizadas en el estado

neutro siendo φ1 (423ordm) y φ2 (199ordm)

Para PBDB-T se muestra que la barrera respecto a φ3 muestra el confoacutermero

maacutes estable a 20ordm y para φ4 a 10ordm En los casos de φ5 y φ5b el confoacutermero con

menor energiacutea es cuando el aacutengulo diedro toma el valor de 60ordm Al igual que en el

caso del PNDIBS los valores de los aacutengulos diedros de los miacutenimos en las barreras

de energiacutea estaacuten proacuteximos a los valores de la estructuras optimizadas en estado

neutro siendo estos φ3 (-172ordm) φ4 (115ordm) y finalmente φ5 y φ5b (558ordm)

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

119887

119887

119887

119887

31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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31

110 Energiacutea de reorganizacioacuten afinidad electroacutenica y potencial de

ionizacioacuten

En este apartado se presentan los resultados del caacutelculo de la energiacutea de

reorganizacioacuten del PNDISB y del PBDB-T recogidos en la Tabla 4 ademaacutes de la

afinidad electroacutenica y del potencial de ionizacioacuten empleando las siguientes

expresiones

λi = λ1 + λ2 λ1 = E0 (G)- E0 (G0) λ2 = E (G0) ndash E (G)

EA = E0G0 - E-G- IP = E+G+ - E0G0

Tabla 4 Energiacutea de Reorganizacioacuten de huecos (λh) y electrones (λe) Potencial de ionizacioacuten y Afinidad electroacutenica para los monoacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

Energiacutea λ + (eV) λ

+ (eV) λh (eV) λ minus (eV) λ

minus (eV) λe (eV) EA (eV) IP (eV)

PNDIBS 0218 0211 0429 0134 0137 0271 2178 6721

PBDB-T 0114 0112 0226 0115 0115 0241 1453 5882

Para la moleacutecula de PNDIBS se calcula un valor de la afinidad electroacutenica

maacutes alto (218 eV) respecto al PBDB-T (145 eV) Sin embargo el valor del potencial

de ionizacioacuten para PBDB-T es menor (5882 eV) que en el caso del PNDIBS (6721

eV) lo que significa que en el PBDB-T estaacute maacutes favorecida la inyeccioacuten de huecos

mientras que en PNDIBS seraacute maacutes eficiente la inyeccioacuten de electrones a pesar de

que no se llega a alcanzar el miacutenimo de 3 eV

La energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos es menor en el caso del

PBDB-T con un valor de 0226 eV mientras que en el caso del PNDIBS es de 0429

eV Por otro lado la energiacutea de reorganizacioacuten interna de electrones para el PBDB-T

es de 0241 eV siendo menor que para el PNDIBS es de 0271 eV Esto significa que

en el PBDB-T estaacute favorecido el transporte de huecos y en el PNDIBS el de

electrones

Con el fin de comparar estos resultados con los de moleacuteculas ya estudiadas

que tienen buen comportamiento como semiconductores orgaacutenicos se ha

seleccionado el artiacuteculo de V Lemaur y colaboradores (Lemaur et al 2004) Los

valores para el trifenileno son λh 018 y λe 026 eV hexaazatrifenileno λh 030 y λe

027 eV y hexabenxzocoroneno λh 010 y λe 014 eV Como puede verse los

32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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32

valores del PNDIBS y del PBDB-T estaacuten en el rango de los valores de las moleacuteculas

tiacutepicas que actuacutean como semiconductores orgaacutenicos

111 Band gap y orbitales moleculares

A continuacioacuten se va a proceder a analizar los resultados para el band gap de las

unidades PNDIBS y PBDB-T que se muestran en la Figura 16 y Tabla 5

Tabla 5 Valores de los niveles de energiacutea del HOMO LUMO y Band-Gap

Compuesto HOMO (eV) LUMO (eV) Band-gap (eV)

PNDIBS -561 -334 226

PBDB-T -502 -236 266

Figura 16 Representacioacuten de los niveles de energiacutea HOMO LUMO y Band gap

Tabla 6 Representacioacuten del HOMO y LUMO para el PNDIBS y el PBDB-T

Compuesto HOMO LUMO

PNDIBS

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

LUMO -334 eV

LUMO -561

LUMO -395 eV

HOMO -583 eV

LUMO -236 eV

HOMO -502 eV

HOMO -533

PNDIBS Teoacuterico

PNDIBS Experimental

PBDB-T Teoacuterico

PBDB-T Experimental

119864 = 2 2 119890119881

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 119890119881

119864 = 1 0 119890119881

LUMO -353 eV

Energ

iacutea (

eV

)

33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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33

PBDB-T

Como puede apreciase en la Tabla 6 el HOMO del PNDIBS principalmente

se encuentra localizado en la zona de los selenofenos y en la zona puente en

cambio el LUMO se encuentra principalmente localizado en la zona del naftalen-

diimida En el caso del PBPD-T en ambos orbitales moleculares existe

deslocalizacioacuten a lo largo de la cadena central formada por anillos de tiofeno

alternados pero en el HOMO ademaacutes se produce una mayor deslocalizacioacuten en la

unidad de la derecha de bis-tiofen-benzoditiofeno mientras que en el LUMO se

extiende maacutes sobre la unidad de la izquierda de benzoditiofeno-diona

Respecto a los valores de energiacutea del band gap obtenidos tanto para el

PNDIBS como para el PBDB-T se concluye que el PNDIBS tiene menor band gap y

por tanto seriacutea mejor semiconductor que el PBDB-T Podemos comparar los valores

obtenidos con los experimentales tabulados por Kohle y colaboradores (Kohle et al

2018) en el caso del PNDIBS su band gap experimental es de 19 eV y la diferencia

respecto al teoacuterico es de 039 eV mientras que para el PBDB-T su valor

experimental es de 18 eV y su diferencia frente al teoacuterico es de 086 eV estas

diferencias entran dentro del rango en este tipo de estudios teniendo en cuenta que

los caacutelculos se refieren al monoacutemero

112 Transiciones electroacutenicas

Las propiedades moleculares calculadas hasta ahora son apropiadas para las

moleacuteculas en fase gaseosa que no se encuentren a elevada presioacuten Sin embargo

la mayor parte de los procesos quiacutemicos y bioquiacutemicos tiene lugar en disolucioacuten y el

34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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34

disolvente puede tener un efecto importante sobre la posicioacuten del equilibrio quiacutemico y

las velocidades de reaccioacuten Ademaacutes la funcioacuten de onda electroacutenica molecular y

todas las propiedades moleculares en disolucioacuten diferiraacuten en alguna extensioacuten de las

correspondientes en fase gaseosa (Levine 2001)

Despueacutes de la optimizacioacuten de geometriacuteas de las unidades donadora y

aceptora en presencia de disolvente que en este caso es clorobenceno se llevoacute a

cabo un caacutelculo TD-DFT a ambas unidades para determinar el band gap oacuteptico Este

caacutelculo permitiraacute asignar las transiciones electroacutenicas posibles que se producen

cuando incide la radiacioacuten UV-visible A continuacioacuten en las Tablas 7 y 8 se

muestran los resultados obtenidos para las energiacuteas de aquellas transiciones

electroacutenicas con valores de la fortaleza del oscilador superiores a 01 y cuya

expresioacuten viene representada por

119891119894 = 120587 ṽ119894119898119890119888

3ℎ119890 119863119894

Donde f es la fortaleza del oscilador correspondiente a la excitacioacuten de intereacutes

(adimensional) y Di es la fortaleza del dipolo Como anteriormente ṽ es la energiacutea

de excitacioacuten correspondiente en nuacutemero de onda (Frisch et al 2016)

Tabla 7 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las principales transiciones electroacutenicas de la unidad de PNDIBS en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 6812 [182] 02614 HrarrL (991)

S0rarrS5 3837 [323] 02490 H-4rarrL (113) H-3rarrL (715)

S0rarrS6 3776 [328] 06403 HrarrL+1 (859)

S0rarrS12 3200 [388] 01297 H-9rarrL (119) H-8rarrL (416) HrarrL+3 (289)

En el caso del PNDIBS la transicioacuten electroacutenica de menor energiacutea es S0rarrS1

que es la de mayor longitud de onda de 6812 nm con una fortaleza del oscilador de

026 y siendo la contribucioacuten orbital maacutes importante en la transicioacuten HOMO rarr LUMO

(991 )

El valor del band gap oacuteptico calculado en este trabajo para el PNDBIS es de

182 eV que estaacute proacuteximo al valor experimental establecido en el trabajo de Kolhe y

colaboradores (Kohle et al 2018) de 140 eV

35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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35

Tabla 8 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas de la unidad de PBDB-T en clorobenceno

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 5422 [229] 08625 HrarrL (986)

S0rarrS2 4863 [256] 01194 HrarrL+1 (961)

S0rarrS3 4659 [266] 03392 H-1rarrL (975)

S0rarrS4 4221 [294] 01113 H-1rarrL+1 (933)

S0rarrS5 3938 [315] 02701 H-2rarrL (177) HrarrL+2 (791)

S0rarrS6 3810 [325] 02009 H-2rarrL (666) HrarrL+2 (158)

S0rarrS10 3572 [347] 01314 H-1rarrL+2 (784)

S0rarrS11 3552 [349] 01314 H-2rarrL+1 (575)

S0rarrS14 3491 [355] 03214 H-4rarrL (249) HrarrL+3 (625)

En el caso del PBDB-T la transicioacuten electroacutenica maacutes intensa es la S0rarrS1

(229 eV) siendo la de menor energiacutea y con una longitud de onda maacutexima de 5422

nm La fortaleza del oscilador es de 086 y la contribucioacuten orbital maacutes importante a la

transicioacuten electroacutenica es HOMOrarrLUMO con un valor de 986 En este caso no se

dispone del valor experimental del band gap oacuteptico para comparar

A continuacioacuten en las Figuras 17 y 18 se muestran los espectros de UV-Vis

teoacutericos para las unidades monomeacutericas del PNDIBS y del PBDB-T que se han

obtenido a partir de los caacutelculos TD-DFT usando el meacutetodo B3LYP y la funcioacuten de

base 6-31G

Figura 17 Espectro de absorcioacuten UV-Vis Figura 18 Espectro de absorcioacuten UV- del monoacutemero PNDIBS Vis para el monoacutemero PBDB-T

113 Estudio de diacutemeros covalentes

Una vez analizados los resultados para las unidades monomeacutericas se ha

llevado a cabo la modelizacioacuten de los diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T con el fin de

estudiar el efecto de un aumento de la longitud de la cadena sobre las propiedades

36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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36

electroacutenicas de cada compuesto En las Figuras 19-22 se muestran las geometriacuteas

de los diacutemeros en la conformacioacuten sin o anti maacutes estable optimizadas usando

B3LYP6-31G Los valores de energiacutea de las distintas conformaciones se han

recogido en la Tabla 9

Figura 19 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten sin

Figura 20 Diacutemero PNDIBS conformacioacuten anti

Figura 21 Diacutemero PBDB-T confoacutermero sin

Figura 22 Diacutemero PBDB-T conformacioacuten anti

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

Enlace de unioacuten

37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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37

Tabla 9 Energiacutea de diacutemeros optimizados sin y anti expresados en Hartree y en kcalmol

Diacutemero Energiacutea (HF) Energiacutea (kcalmol)

Diacutemero PNDIBS sin -1226323376 -7695301817

Diacutemero PNDIBS anti -1226323777 -7695304334

Diacutemero PBDB-T sin -974816058 -6117068245

Diacutemero PBDB-T anti -974816210 -6117069202

Una vez realizadas las optimizaciones de las geometriacuteas de los diacutemeros de

donador-donador y aceptor-aceptor y comprobaacutendose que no hay frecuencias

imaginarias a partir de los valores de energiacutea se concluye que para los diacutemeros de

PNDIBS y de PBDB-T las conformaciones anti son las maacutes estables

Tabla 10 Orbitales moleculares de los diacutemeros de conformacioacuten sin y anti

Diacutemero HOMO LUMO

PNDIBS

sin

PNDIBS

anti

PBDB-T

sin

PBDB-T

anti

38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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38

Tabla 11 Valores de la energiacutea del HOMO LUMO y Band gap en electronvoltios

Diacutemero Energiacutea HOMO (eV) Energiacutea LUMO (eV) Band Gap (eV)

Diacutemero PNDIBS sin -546 -345 200

Diacutemero PNDIBS anti -543 -346 197

Diacutemero PBDB-T sin -487 -251 235

Diacutemero PBDB-T anti -488 -253 234

Mediante el caacutelculo de los orbitales moleculares se obtienen los valores de los

niveles de energiacutea del HOMO y del LUMO tabulados en la Tabla 11 los cuales

vamos a utilizar para obtener el band gap Como se puede ver para el diacutemero

PNDIBS el confoacutermero anti tiene menor band gap lo que nos vuelve a confirmar que

el confoacutermero anti es maacutes estable que el sin Para el caso del PBDB-T sucede lo

mismo el confoacutermero anti tiene menor band gap respecto al sin

Si observamos el comportamiento de los orbitales moleculares mediante la

Tabla 10 podemos ver que en el HOMO la distribucioacuten de la densidad de la carga se

localiza en la zona central incluida la regioacuten de los tiofenos y selenofenos puente En

cambio en el orbital LUMO se distribuye un poco por la parte central ademaacutes de

expandirse por la parte perifeacuterica de la unidad

Figura 23 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T frente a los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 PNDIBS

PBDB-T

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

LUMO -253eV

LUMO -346 eV

HOMO -502 eV

HOMO -561 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

Monoacutemeros Diacutemeros

Energ

iacutea (

eV

)

119864 = 2 2 119890119881 119864 = 1

119864 = 2 34 119890119881

39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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39

Como se puede ver en la comparacioacuten entre monoacutemeros y diacutemeros de la

misma unidad a medida que se unen monoacutemeros para formar diacutemeros se reduce el

band gap y su valor se aproxima al del band gap experimental

El estudio completo consistiriacutea en ir aumentado la longitud de la cadena

formando triacutemeros tetraacutemeros etc para determinar queacute oligoacutemero seriacutea una buena

representacioacuten del poliacutemero por comparacioacuten de los valores de las propiedades

electroacutenicas calculadas con los valores experimentales Sin embargo en este trabajo

no se ha llevado a cabo este estudio debido al enorme coste computacional

114 Estudio del Diacutemero Aceptor-Donador unido por enlace covalente

En este apartado se ha estudiado el efecto sobre las propiedades electroacutenicas

de la unioacuten covalente de la unidad aceptora (A) y de la unidad donadora (D) Para

ello se van a estudiar las posibles formas de unioacuten D-A para despueacutes poder llevar a

cabo la optimizacioacuten de la geometriacutea partiendo tanto de la conformacioacuten sin como

de la anti En la Figura 24 se muestra una imagen con las distintas posibilidades de

unioacuten de ambas unidades En las Tablas 12 y 13 se muestran las estructuras

obtenidas en la optimizacioacuten de los diacutemeros D-A y los resultados de energiacutea relativas

con respecto a la estructura maacutes estable

Figura 24 Las flechas indican las posibles uniones entre los diacutemeros donador-aceptor

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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40

Tabla 12 Diacutemeros con diferentes uniones donador-aceptor

Unioacuten Vista frontal Vista lateral

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Tabla 13 Energiacutea de las posibles uniones D-A junto a la diferencia de energiacutea respecto al confoacutermero maacutes estable

Tipo de unioacuten E (HF) E (kcalmol) ΔE (kcalmol)

DA-1-sym -1100570712 -690619127 072

DA-1-anti -1100570826 -690619199 000

DA-2-sym -1100570753 -690619153 040

DA-2-anti -1100570816 -690619193 000

DA-3-sym -1100568721 -690617878 063

DA-3-anti -1100568821 -690617941 000

DA-4-sym -1100568834 -690617949 000

DA-4-anti -1100568807 -690617932 017

41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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41

Como podemos ver la unioacuten del DA-1-anti es la que posee una energiacutea menor

y mayor estabilidad Para el resto de combinaciones D-A vemos que la unioacuten maacutes

estable es la unioacuten del DA-2-anti DA-3-anti y DA-4-sym

A continuacioacuten se han estudiado las barreras de energiacutea en funcioacuten del

aacutengulo diedro resultando los confoacutermeros maacutes estables que se muestran a

continuacioacuten

Figura 25 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-1

Figura 26 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-2

En las Figuras 25 y 26 se han representado las barreras de rotacioacuten de la

unioacuten de DA-1 y DA-2 ambas con rotacioacuten horaria En ambos casos el miacutenimo de

energiacutea corresponde a 0ordm aunque hay otro conformero estable con mayor energiacutea

-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energ

iacutea r

ela

tiva (k

calm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Materials 2013 Springer Briefs in Molecular Science

Wang Y L Li Q S y Li Z S (2017) Novel benzodithiophene-based

polymer acceptors for efficient organic solar cells Physical Chemistry

Chemical Physics 19(34) 23444ndash23453

Zheng H Zhao Y Song M X Wang J Chen L Q Sun L y Bai F Q

(2018) Influences of donoracceptor ratio on the optical and electrical

properties of the DA alternating model oligomers A density functional theory

study Spectrochimica Acta - Part A Molecular and Biomolecular

Spectroscopy 199 260ndash270

Zhou N y Facchetti A (2018) Naphthalenediimide (NDI) polymers for all-

polymer photovoltaics Materials Today 21(4) 377ndash390

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42

Asiacute en la Figura 25 aparece un segundo minimo a 160ordm y en la figura 26 se observa

la aparicioacuten de otro a 180ordm

Figura 27 Representacioacuten graacutefica la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-3

Figura 28 Representacioacuten graacutefica de la energiacutea relativa (kcalmol) frente al aacutengulo Φ (ordm) de DA-4

En la Figura 27 se muestra la barrera para el diacutemero DA-3 con rotacioacuten

antihoraria y en la que se aprecia como el miacutenimo maacutes estable se calcula a 120ordm A

0ordm la geometriacutea del diacutemero estaacute muy torsionada por eso aparece un maacuteximo ademaacutes

de otro maacuteximo en 180ordm

En la Figura 28 que representa la barrera del diacutemero DA-4 muy similar a la

barrera anterior con rotacioacuten antihoraria el miacutenimo maacutes estable se presenta en

140ordm

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200E

nerg

iacutea r

ela

tiva (k

ca

lm

o)

Aacutengulo diedro (ordm)

φ

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 50 100 150 200

En

erg

iacutea r

ela

tiva

(k

ca

lm

ol)

Aacutengulo diedro (ordm)

43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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43

Para los cuatro diacutemeros D-A maacutes estables se ha analizado los valores de las

energiacuteas de los orbitales HOMO y LUMO y del band gap Los resultados se

muestran en la Tabla 14 y la Figura 29

Tabla 14 Orbitales moleculares de los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T en funcioacuten del tipo de unioacuten

Compuesto HOMO LUMO

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Figura 29 Representacioacuten del HOMO LUMO y band gap expresado en eV para los diacutemeros de PNDIBS y PBDB-T

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

DA-3 DA-4

LUMO -335 eV

HOMO -497 eV

LUMO -336 eV

HOMO -500 eV

LUMO -333 eV

HOMO -504 eV

LUMO -332 eV

HOMO ndash504 eV

119864 = 1 2 119890119881 119864 = 1 4 119890119881 119864 = 1 1 119890119881 =172

DA-1 DA-2

Energ

iacutea (

eV

)

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Bearpark M Heyd JJ Brothers E Kudin KNStaroverov VN Keith T

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Iyengar SS Tomasi J Cossi M Millam JM Klene M Adamo C

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Page 44: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

44

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

El diacutemero DA-1 es el maacutes estable y presenta un menor band gap por lo tanto

seriacutea el mejor candidato para la unioacuten del diacutemero PNDIBSPBDB-T siendo por tanto

la unioacuten maacutes estable Aunque el diacutemero DA-2 optimizado presenta una mayor

planaridad de su estructura molecular por lo que es de esperar mejores propiedades

electroacutenicas

Estas dos uniones D-A 1 y 2 dan lugar a estructuras maacutes planas y con un

valor band gap pequentildeo permitiendo asiacute una mayor facilidad para el transporte de

carga

Figura 30 Comparacioacuten del band gap entre monoacutemero diacutemeros de PNDIBS y de PBDB-T y de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

Con la Figura 30 tras la comparacioacuten de los diferentes resultados de band

gap podemos concluir que la idea de estudiar los diacutemeros donador-aceptor ha sido

exitosa ya que se ha conseguido reducir el band gap significativamente lo que

permitiriacutea un mejor transporte de carga

A continuacioacuten se ha estudiado las transiciones electroacutenicas en clorobenceno

que se producen cuando una radiacioacuten incide sobre los diacutemeros donador-aceptor y

los resultados se muestran en las Tablas 15 16 17 y 18

Tabla 15 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-1

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8623 [144] 04656 HrarrL (781)

S0rarrS2 6499 [191] 02055 H-2rarrL (230) H-1rarrL (703)

S0rarrS4 5871 [163] 16342 HrarrL+1 (956)

S0rarrS6 4847 [211] 04600 HrarrL+3 (888)

S0rarrS7 4743 [261] 01779 H-3rarrL (114) H-2rarrL (475) H-1rarrL+1 (297)

S0rarrS12 4255 [291] 01684 H-2rarrL+2 (676)

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

LUMO -236 eV

LUMO -334 eV

HOMO -502 eV

HOMO 561 eV

119864 = 2 2 119890119881

LUMO -253 eV

LUMO -346 eV

HOMO -488 eV

HOMO -543 eV

MonoacutemerosDiacutemeros

119864 = 1 119890119881

119864 = 2 34 119890119881

Diacutemeros Dador-Aceptor

unidos por enlace covalente

119864 = 1 1 119890119881119864 = 1 4 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

119864 = 1 2 119890119881

LUMO -335 eV

LUMO -336 eV

LUMO -333 eV

LUMO -332 eV

HOMO -504 eV

HOMO -504 eV

HOMO -499 eV

HOMO -497 eV

PNDIBS

PBDB-T

DA-1

DA-2

DA-3

DA-4

Ener

giacutea

(eV

)

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

BIBLIOGRAFIacuteA

Atkins P y de Paula J Atkins Quiacutemica Fiacutesica 8ordf edicioacuten 2008 Editorial

Meacutedica Panamericana

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modelizacioacuten molecular como herramienta para el disentildeo de nuevos

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Williams-Young D Ding F Lipparini F Egidi F Goings J Peng B

Petrone A Henderson T Ranasinghe D Zakrzewski VG Gao J Rega

N Zheng G Liang W Hada M Ehara M Toyota K Fukuda R

Hasegawa J Ishida M Nakajima T Honda Y Kitao O Nakai H

Vreven T Throssell K Montgomery Jr JA Peralta JE Ogliaro F

Bearpark M Heyd JJ Brothers E Kudin KNStaroverov VN Keith T

Kobayashi R Normand J Raghavachari K Rendell A Burant JC

Iyengar SS Tomasi J Cossi M Millam JM Klene M Adamo C

Cammi R Ochterski JW Martin RL Morokuma K Farkas O

Foresman JB Fox DJ Gaussian 09 Revision D01 Gaussian Inc

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Garzoacuten A Navarro A Loacutepez D Perles J y Garciacutea-Frutos E M (2017)

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diazaisoindigo-Based Organogel Journal of Physical Chemistry C 121(48)

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Hwang Y J Ren G Murari N M y Jenekhe S A (2012) N-type

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50

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efficiency of polymer solar cells by adding a high-mobility conjugated polymer

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polymer acceptors based on perylene diimides in all-polymer solar cells Solar

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electronic structures and properties of P3HT-PbS and P3HT-CdS hybrid

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Shuai Z Song C y Wang Theory of Charge Transport in Carbon Electronic

Materials 2013 Springer Briefs in Molecular Science

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polymer acceptors for efficient organic solar cells Physical Chemistry

Chemical Physics 19(34) 23444ndash23453

Zheng H Zhao Y Song M X Wang J Chen L Q Sun L y Bai F Q

(2018) Influences of donoracceptor ratio on the optical and electrical

properties of the DA alternating model oligomers A density functional theory

study Spectrochimica Acta - Part A Molecular and Biomolecular

Spectroscopy 199 260ndash270

Zhou N y Facchetti A (2018) Naphthalenediimide (NDI) polymers for all-

polymer photovoltaics Materials Today 21(4) 377ndash390

Page 45: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

45

Tabla 16 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-2

Transicioacuten 120582119886119887119904(nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8558 [145] 05733 HrarrL (911)

S0rarrS3 6020 [206] 17617 HrarrL+1 (959)

S0rarrS5 5458 [227] 01326 HrarrL+2 (959)

S0rarrS7 4906 [253] 01808 H-2rarrL+2 (910)

S0rarrS9 4501 [275] 02574 H-2rarrL+1 (813)

S0rarrS13 4269 [290] 02493 H-2rarrL+1 (107) H-2rarrL+2 (758)

S0rarrS16 4032 [306] 02772 HrarrL+4 (902)

S0rarrS16 3858 [321] 01230 H-19rarrL (122) H-13rarrL (286) HrarrL+5 (124)

Tabla 17 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-3

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8446 [147] 02377 HrarrL (957)

S0rarrS2 6969 [178] 03614 H-2rarrL (295) H-1rarrL (693)

S0rarrS4 5434 [228] 10172 LrarrH+1 (969)

S0rarrS7 4844 [256] 01265 LrarrH+2 (959)

S0rarrS9 4666 [266] 03129 H-2rarrL+1 (790) H-1rarrL+1 (141)

S0rarrS17 4034 [307] 03932 LrarrH+3 (193) LrarrH+4 (677)

Tabla 18 Longitud de Onda Fortaleza del Oscilador (f) y Contribucioacuten Principales Transiciones () de las Principales Transiciones Electroacutenicas del DA-4

Transicioacuten 120582119886119887119904 (nm [eV]) ƒ Contribucioacuten gt10

S0rarrS1 8063 [154] 04449 HrarrL (899)

S0rarrS2 7031 [176] 03551 H-2rarrL (181) H-1rarrL (738)

S0rarrS4 5510 [225] 0944 HrarrL+1 (965)

S0rarrS6 4419 [281] 01177 HrarrL+2 (946)

S0rarrS7 4756 [261] 03034 H-2rarrL+1 (234) H-1rarrL+1 (732)

S0rarrS10 4419 [281] 01043 H-7rarrL (251) H-1rarrL+2 (424)

S0rarrS12 4361 [284] 01178 H-2rarrL+1 (579) H-1rarrL+1 (172) H-1rarrL+2 (155)

S0rarrS18 3981 [311] 01443 H-3rarrL+1 (173) HrarrL+3 (236) HrarrL+4 (296)

Para el caso de los diacutemeros donador-aceptor unidos por enlace covalente

podemos decir que a partir de los datos recabados en las Tablas 15 16 17 y 18

tienen un comportamiento similar entre las distintas uniones posibles salvo en

pequentildeas diferencias en los valores Como se puede ver la transicioacuten maacutes intensa

es S0rarrS1 teniendo el valor maacutes bajo en energiacutea expresada en electronvoltios y el

46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Naphthalene Diimide-Biselenophene Copolymer Acceptor [Research-article]

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Lemaur V Da Silva Filho D A Coropceanu V Lehmann M Geerts Y

Piris J y Cornil J (2004) Charge Transport Properties in Discotic Liquid

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50

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Energy Materials and Solar Cells 189 103ndash117

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Wang Y L Li Q S y Li Z S (2017) Novel benzodithiophene-based

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Chemical Physics 19(34) 23444ndash23453

Zheng H Zhao Y Song M X Wang J Chen L Q Sun L y Bai F Q

(2018) Influences of donoracceptor ratio on the optical and electrical

properties of the DA alternating model oligomers A density functional theory

study Spectrochimica Acta - Part A Molecular and Biomolecular

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46

valor maacutes alto en la longitud de onda de absorcioacuten Para la fortaleza del oscilador si

hay diferencias apreciables teniendo valores como 05733 02377 y 04449 En los

tres casos la uacutenica transicioacuten predominante es la HOMOrarrLUMO con una

contribucioacuten electroacutenica de 9105 9572 y 8988 A continuacioacuten se muestran

los espectros de absorcioacuten en UV-Vis para los respectivos diacutemeros donadores-

aceptores en la Tabla 19

Tabla 19 Espectros de UV-Vis correspondientes a los diacutemeros a) DA-1 b) DA-2 c) DA-3 y d) DA-4

a) DA-1 b) DA-3

c) DA-2 d) DA-4

CONCLUSIONES

Tras la discusioacuten de resultados obtenidos en el Trabajo de Fin de Grado se

procede a la conclusioacuten de dichos resultados

La optimizacioacuten y posterior estudio de la barrera rotacional predice que para

el monoacutemero PNDIBS el confoacutermero maacutes estable es aquel en el que el

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

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Kolhe N B Lee H Kuzuhara D Yoshimoto N Koganezawa T y

Jenekhe S A (2018) All-Polymer Solar Cells with 94 Efficiency from

Naphthalene Diimide-Biselenophene Copolymer Acceptor [Research-article]

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Lemaur V Da Silva Filho D A Coropceanu V Lehmann M Geerts Y

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50

Levine Ira N Quiacutemica Cuaacutentica Quinta Edicioacuten 2001 Pearson Education

SA Madrid

Liu S You P Li J Li J Lee C S Ong B S y Yan F (2015) Enhanced

efficiency of polymer solar cells by adding a high-mobility conjugated polymer

Energy and Environmental Science 8(5) 1463ndash1470

Liu Z Zeng D Gao X Li P Zhang Q y Peng X (2019) Non-fullerene

polymer acceptors based on perylene diimides in all-polymer solar cells Solar

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Wang Y L Li Q S y Li Z S (2017) Novel benzodithiophene-based

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Zheng H Zhao Y Song M X Wang J Chen L Q Sun L y Bai F Q

(2018) Influences of donoracceptor ratio on the optical and electrical

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study Spectrochimica Acta - Part A Molecular and Biomolecular

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Page 47: Facultad de Ciencias Experimentales Grado en Químicatauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/10454/1/TFG... · reconocido con el Premio Nobel de Química en el año 2000 a los profesores

47

aacutengulo diedro φ1 toma el valor de 40ordm y 20ordm en φ2 mientras que para el

monoacutemero PBDB-T es maacutes estable para valores de aacutengulos diedros de 20ordm

en φ3 10ordm para φ4 y 60ordm tanto para φ5 como φ5b

En el estudio de los paraacutemetros estructurales de los monoacutemeros se concluye

que la peacuterdida o la ganancia de un electroacuten en el caso del PNDIBS afecta a

la longitud de los enlaces en la zona del naftalen-diimida y del selenofeno

Respecto a la variacioacuten del aacutengulo diedro la planaridad estaacute favorecida en la

geometriacutea anioacutenica En el caso del PBDB-T la ionizacioacuten afecta a la longitud

de los enlaces en la zona benzo-tiofeno tiofenos puente y benzo-ditiofeno

Tanto en la geometriacutea anioacutenica como catioacutenica los valores de los aacutengulos

diedros favorecen la planaridad de la estructura molecular

Tanto para el monoacutemero de PNDIBS como el PBDB-T se han calculado

valores de energiacutea de reorganizacioacuten interna de huecos y electrones

caracteriacutesticos de semiconductores orgaacutenicos

El PBDB-T posee valores de afinidad electroacutenica como de potencial de

ionizacioacuten idoacuteneos para inyeccioacuten de carga

Cuando los monoacutemeros estaacuten en fase gas el orbital HOMO del PNDIBS se

encuentra localizado en los selenofenos y en la zona puente y el LUMO en

se encuentra localizado en naftalen-diimina En el PBDB-T en fase gas el

HOMO aparece en ditiofeno ditiofeno puente y en benzoditiofeno y en el

LUMO se encuentra en el anillo dioacutenico y en el ditiofeno puente

principalmente Si se comparan ambos band gaps el PNDIBS posee el

menor valor lo cual le hace que sea el mejor semiconductor de los dos

sistemas estudiados

Con la optimizacioacuten de los monoacutemeros en disolucioacuten en clorobenceno se

obtiene que las transiciones electroacutenicas menos energeacuteticas desde el estado

fundamental al excitado se corresponden con la transicioacuten HOMOrarrLUMO

El estudio de los diacutemeros donador-donador y aceptor-aceptor concluye que

tanto los menores valores de las energiacuteas relativas como del band gap se

obtienen para el confoacutermero anti en ambos casos observaacutendose como el

band gap disminuye en comparacioacuten al calculado para los monoacutemeros

Analizando los resultados de los diacutemeros donador-aceptor se concluye que

de todas las posibles uniones la menos energeacutetica es la DA-1-anti y que estaacute

tiene un miacutenimo de energiacutea mostrado en la barrera conformacional a 0ordm Para

48

el DA-1-anti cuyo band gap tambieacuten sigue siendo el maacutes pequentildeo los

caacutelculos realizados predicen que esta unioacuten podriacutea ser la maacutes adecuada de

cara a su aplicacioacuten como semiconductor ademaacutes de tener la transicioacuten

electroacutenica HOMOrarrLUMO menos energeacutetica

BIBLIOGRAFIacuteA

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49

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Shawnee Mission KS 2009

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Cheeseman JR Scalmani G Barone V Petersson GA Nakatsuji H Li

X Caricato M Marenich A Bloino J Janesko BG Gomperts R

Mennucci B Hratchian HP Ortiz JV Izmaylov AF Sonnenberg JL

Williams-Young D Ding F Lipparini F Egidi F Goings J Peng B

Petrone A Henderson T Ranasinghe D Zakrzewski VG Gao J Rega

N Zheng G Liang W Hada M Ehara M Toyota K Fukuda R

Hasegawa J Ishida M Nakajima T Honda Y Kitao O Nakai H

Vreven T Throssell K Montgomery Jr JA Peralta JE Ogliaro F

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Kobayashi R Normand J Raghavachari K Rendell A Burant JC

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