O uso de materiais orgânicos em dispositivos eletrônicos, além de menor custo e facilidade de processamento, permite obter flexibilidade e transparência. Entretanto, para que a aplicação comercial desses materiais seja viável, os processos que ocorrem nos dispositivos ainda precisam ser mais bem compreendidos, visando maior eficiência e tempo de vida. É de grande importância o estudo das interfaces entre o semicondutor orgânico e os contatos metálicos, onde ocorre transferência de portadores de carga, e a interface com o dielétrico em transistores orgânicos (OFETs), onde se forma o canal de condução. As interfaces de dispositivos eletrônicos poliméricos foram estudadas, utilizando-se Espectroscopia SFG (do inglês Sum Frequency Generation). Esta técnica obtém um sinal com a soma das frequências de dois feixes incidentes sobrepostos, em um processo seletivo a meios onde não há simetria de inversão, como no caso de interfaces. Com aplicação de um feixe de excitação na região visível e outro sintonizável no infravermelho médio, a espectroscopia SFG fornece um espectro vibracional da interface e permite o estudo do ordenamento e da orientação dos grupos moleculares. Foram construídos e analisados OFETs de poli-3-hexiltiofeno (P3HT) preparados sobre substrato de vidro ou silício, utilizando como isolante óxido de silício e/ou poli-metil-metacrilato (PMMA). Foram obtidos espectros in situ do canal de OFETs em operação, observando pequenas alterações na forma de linha, porém a baixa relação sinal/ruído não permitiu obter conclusões detalhadas. Foi constatada a manifestação de bandas da camada isolante de PMMA como consequência da aplicação de campo elétrico. Este fenômeno foi considerado como uma nova ferramenta para estudar a distribuição de cargas e campo elétrico no canal de transistores. Não foram detectados sinais de degradação irreversível no polímero semicondutor a curto prazo, e a mudança de comportamento elétrico foi atribuída majoritariamente a dopagem por oxigênio absorvido no material. / The usage of organic materials in electronic devices allows not only low cost and ease of processing but also flexibility and transparency. However, to achieve viable commercial application, the processes involved on the devices operation must still be better comprehended, aiming for improved efficiency and life time. There is great importance in the study of the interfaces between organic semiconductors and metallic contacts, where charge transfer takes place, and between the dielectric and semiconductor layers of organic transistors (OFETs), where the conducting channel is formed. The interfaces in polymeric electronic devices were studied by SFG spectroscopy (Sum Frequency Generation). In this technique, a signal with frequency that equals the sum of those of two incident beams is generated in a process only allowed in media without inversion symmetry, such as interfaces. Using a visible excitation beam and a tunable infrared one, SFG spectroscopy yields a vibrational spectrum of the interface and provides information about the conformation and orientation of molecular groups. Poly-3-hexylthiophene (P3HT) OFETs were fabricated using glass or silicon substrates and silicon oxide and/or poly-methyl-methacrylate (PMMA) for the dielectric layer. SFG spectra were acquired in situ from the channel region of operating OFETs, observing small changes in lineshape, but low signal-to-noise ration did not allow a detailed interpretation. It was found that PMMA vibrational bands appeared when polarizing the device. This phenomenon was considered a new tool for studying the electric field and charge distribution along transistor channels. It was not noted any sign of short term irreversible degradation of the semiconducting polymer, and the change in the electrical behavior was attributed mainly to doping of the polymer by oxygen absorbed in the material.

O uso de materiais orgânicos em dispositivos eletrônicos, além de menor custo e facilidade de processamento, permite obter flexibilidade e transparência. Entretanto, para que a aplicação comercial desses materiais seja viável, os processos que ocorrem nos dispositivos ainda precisam ser mais bem compreendidos, visando maior eficiência e tempo de vida. É de grande importância o estudo das interfaces entre o semicondutor orgânico e os contatos metálicos, onde ocorre transferência de portadores de carga, e a interface com o dielétrico em transistores orgânicos (OFETs), onde se forma o canal de condução. As interfaces de dispositivos eletrônicos poliméricos foram estudadas, utilizando-se Espectroscopia SFG (do inglês Sum Frequency Generation). Esta técnica obtém um sinal com a soma das frequências de dois feixes incidentes sobrepostos, em um processo seletivo a meios onde não há simetria de inversão, como no caso de interfaces. Com aplicação de um feixe de excitação na região visível e outro sintonizável no infravermelho médio, a espectroscopia SFG fornece um espectro vibracional da interface e permite o estudo do ordenamento e da orientação dos grupos moleculares. Foram construídos e analisados OFETs de poli-3-hexiltiofeno (P3HT) preparados sobre substrato de vidro ou silício, utilizando como isolante óxido de silício e/ou poli-metil-metacrilato (PMMA). Foram obtidos espectros in situ do canal de OFETs em operação, observando pequenas alterações na forma de linha, porém a baixa relação sinal/ruído não permitiu obter conclusões detalhadas. Foi constatada a manifestação de bandas da camada isolante de PMMA como consequência da aplicação de campo elétrico. Este fenômeno foi considerado como uma nova ferramenta para estudar a distribuição de cargas e campo elétrico no canal de transistores. Não foram detectados sinais de degradação irreversível no polímero semicondutor a curto prazo, e a mudança de comportamento elétrico foi atribuída majoritariamente a dopagem por oxigênio absorvido no material. / The usage of organic materials in electronic devices allows not only low cost and ease of processing but also flexibility and transparency. However, to achieve viable commercial application, the processes involved on the devices operation must still be better comprehended, aiming for improved efficiency and life time. There is great importance in the study of the interfaces between organic semiconductors and metallic contacts, where charge transfer takes place, and between the dielectric and semiconductor layers of organic transistors (OFETs), where the conducting channel is formed. The interfaces in polymeric electronic devices were studied by SFG spectroscopy (Sum Frequency Generation). In this technique, a signal with frequency that equals the sum of those of two incident beams is generated in a process only allowed in media without inversion symmetry, such as interfaces. Using a visible excitation beam and a tunable infrared one, SFG spectroscopy yields a vibrational spectrum of the interface and provides information about the conformation and orientation of molecular groups. Poly-3-hexylthiophene (P3HT) OFETs were fabricated using glass or silicon substrates and silicon oxide and/or poly-methyl-methacrylate (PMMA) for the dielectric layer. SFG spectra were acquired in situ from the channel region of operating OFETs, observing small changes in lineshape, but low signal-to-noise ration did not allow a detailed interpretation. It was found that PMMA vibrational bands appeared when polarizing the device. This phenomenon was considered a new tool for studying the electric field and charge distribution along transistor channels. It was not noted any sign of short term irreversible degradation of the semiconducting polymer, and the change in the electrical behavior was attributed mainly to doping of the polymer by oxygen absorbed in the material.

Os polímeros conjugados luminescentes são materiais com grande potencial tecnológico, mas apesar de estudados desde a década de 80, algumas de suas propriedades óticas ainda não foram totalmente entendidas. Por exemplo, ainda persistem dúvidas quanto à natureza das suas excitações primárias. Nesse sentido foi feito um estudo da fotoluminescência do poli[2-metoxy-5-(2-etil-hexiloxi)-1,4-fenileno vinileno] (MEH-PPV), polímero semicondutor luminescente cujas propriedades ópticas já foram muito investigadas. Além da banda de absorção principal na região visível do espectro, ele possui três bandas no ultravioleta. O objetivo deste trabalho é investigar a fotoluminescência do MEH-PPV quando excitado na região do ultravioleta. Após fotoexcitação no ultravioleta, observou-se apenas a fotoluminescência usual no visível. A intensidade da emissão depende fortemente da energia de excitação, da temperatura e da estrutura morfológica do sistema polimérico, determinada pelo método de preparação das amostras. Os resultados indicam que os estados excitados no ultravioleta relaxam rapidamente de forma não-radiativa até os estados de menor energia, de onde então ocorre a luminescência. Entretanto, a eficiência da fotoluminescência excitada no ultravioleta é consideravelmente reduzida, indicando que a excitação a altas energias abre novos canais de relaxação não-radiativos. / Luminescent semiconducting polymers are technological promising materials, but although studied since the 80’s some of their optical properties have not yet been fully understood. For instance, the nature of their primary excitations is still on debate. Therefore we proposed to study the photoluminescence following photoexcitation in the ultraviolet of the polymer poly(2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene) (MEH-PPV). It is a semiconducting luminescent polymer with a main absorption band in the visible part of the spectrum, but with three other absorption bands in the ultraviolet. After ultraviolet photoexcitation it was observed only the usual visible photoluminescence. The intensity of photoluminescence depends strongly on temperature, excitation wavelength and morphological structure of the polymer, determined by the method of sample preparation. The results show that by ultraviolet excitation the excited states relax rapidly non-radiatively to the lower energy states, from where luminescence results. However, the photoluminescence efficiency with ultraviolet photoexcitation is considerably reduced, implying that the highly excited states in the polymer have more non-radiative relaxation channels available.

Os polímeros conjugados luminescentes são materiais com grande potencial tecnológico, mas apesar de estudados desde a década de 80, algumas de suas propriedades óticas ainda não foram totalmente entendidas. Por exemplo, ainda persistem dúvidas quanto à natureza das suas excitações primárias. Nesse sentido foi feito um estudo da fotoluminescência do poli[2-metoxy-5-(2-etil-hexiloxi)-1,4-fenileno vinileno] (MEH-PPV), polímero semicondutor luminescente cujas propriedades ópticas já foram muito investigadas. Além da banda de absorção principal na região visível do espectro, ele possui três bandas no ultravioleta. O objetivo deste trabalho é investigar a fotoluminescência do MEH-PPV quando excitado na região do ultravioleta. Após fotoexcitação no ultravioleta, observou-se apenas a fotoluminescência usual no visível. A intensidade da emissão depende fortemente da energia de excitação, da temperatura e da estrutura morfológica do sistema polimérico, determinada pelo método de preparação das amostras. Os resultados indicam que os estados excitados no ultravioleta relaxam rapidamente de forma não-radiativa até os estados de menor energia, de onde então ocorre a luminescência. Entretanto, a eficiência da fotoluminescência excitada no ultravioleta é consideravelmente reduzida, indicando que a excitação a altas energias abre novos canais de relaxação não-radiativos. / Luminescent semiconducting polymers are technological promising materials, but although studied since the 80’s some of their optical properties have not yet been fully understood. For instance, the nature of their primary excitations is still on debate. Therefore we proposed to study the photoluminescence following photoexcitation in the ultraviolet of the polymer poly(2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene) (MEH-PPV). It is a semiconducting luminescent polymer with a main absorption band in the visible part of the spectrum, but with three other absorption bands in the ultraviolet. After ultraviolet photoexcitation it was observed only the usual visible photoluminescence. The intensity of photoluminescence depends strongly on temperature, excitation wavelength and morphological structure of the polymer, determined by the method of sample preparation. The results show that by ultraviolet excitation the excited states relax rapidly non-radiatively to the lower energy states, from where luminescence results. However, the photoluminescence efficiency with ultraviolet photoexcitation is considerably reduced, implying that the highly excited states in the polymer have more non-radiative relaxation channels available.

Neste trabalho foram sintetizados a poli-2-etinilpiridina (P2EP), poli-4etinilpiridina (P4EP), o iodeto de poli(2-N-t-butilpiridiniumilacetileno) (P2EPtBu) e a poli-β-etinilnaftaleno (P&#946:EN), os quais são poliacetilenos substituídos. Estes polímeros, juntamente com o cloreto de poli(2-piridínio-2-piridilacetileno) (P2EPH), foram caracterizados por espectroscopia vibracional no infravermelho e Raman. Estes polímeros apresentaram variação na posição das bandas Raman com a energia da radiação excitante - chamada dispersão Raman ou fotosseletividade - da ordem de 10 cm-1, bem inferior ao apresentado pelo poliacetileno (cerca de 60 cm-1). Este deslocamento foi interpretado utilizando-se dois dos modelos existentes para descrever este fenômeno: o Modelo de Modo de Amplitude (AMM) e o Modelo de Coordenada de Conjugação Efetiva (ECCM), os quais fornecem informações sobre a estrutura polimérica e sobre seus níveis eletrônicos. Utilizando-se o AMM foi possível obter informações sobre os níveis eletrônicos excitados de mesma simetria que o estado eletrônico fundamental. Por outro lado, o ECCM, com a ajuda de cálculos DFT, mostrou diferenças na extensão da conjugação e no grau de dimerização entre o P2EP na forma cis e trans e indicou que este polímero apresentava, predominantemente, a estrutura cis, fato este confirmado pelos espectros no infravermelho. A dopagem com I2 provocou efeitos diferentes na estrutura dos polímeros. Os espectros no infravermelho dos polímeros dopados indicaram que o P2EP e o P2EPH apresentaram aumento na quantidade de segmentos cis enquanto o P2EPtBu apresentou diminuição na quantidade desses segmentos. Os espectros Raman dos polímeros dopados confirmaram os dados dos espectros no infravermelho. Esta diferença foi interpretada como sendo devida à diferença no volume do substituinte, pois grupos volumosos favorecem o isômero trans-cisóide onde a distância entre os substituintes é maior. A dopagem também levou a um aumento na condutividade dos polímeros, porém os valores de condutividade obtidos foram bem inferiores que os apresentados pelo poliacetileno dopado (10-5 a 10-7 contra 102 S cm-1, tipicamente). / In this work poly-2-ethynylpyridine (P2EP), poly-4-ethynylpyridine (P2EP), poly(2-N-t-butylpyridiniumylacetylene) iodide (P2EPtBu) and poly-β-pethynylnaphthalene (PβEN) were synthesized. These polymers, which are polyacetylenes derivatives, and poly(2-pyridinium-2-pyridylacetylene) chloride (P2EPH) were analyzed by vibrational techniques. It was observed that some Raman band positions shifted when excitation energy was changed, however this shift (ca. 10 cm-1) was substantially smaller than the presented by polyacetylene (ca. 60 cm-1). This phenomenon called Raman dispersion or photoselectivity - was examinated using Amplitude Mode Model (AMM) and Effective Conjugation Coordinate Model (ECCM) and gave us important information about polymer structure and its electronic energies levels. Using AMM it was possible to infere information about electronic excited states with the same symmetry of the electronic ground state. ECCM gave us evidences about differences in conjugation extension and dimerization degree between cis and trans structures. Besides this, ECCM was successful in indicating cis structure to P2EP. Infrared spectrum confirmed that this polymer is mainly cis. I2 doping of P2EP, P2EPH and P2EPtBu provoked differents perturbations in these systems. P2EP and P2EPH increased their cis segments amount, as showed by infrared spectra. On the other hand, this doping induced the decrease of cis segments in P2EPtBu. Raman spectroscopy supported these conclusions too. This difference was interpretated as due to the side group volume, which could favour one or another isomerization. Electronic conductivity increased by doping for all these three polymers, however the conductivity is considerably lower than the presented by polyacetylene (from 10-5 to 10-7 S cm-1 for these substituted polyacetylenes against typically 10-2 S cm-1 for polyacetylene).

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / In this work we made a theoretical study of absorption line-shape of poly (pphenylene vinylene) (PPV). The model was applied in films processed by techniques: spin-coating (SC), layer-by-layer (LbL), and Langmuir-Blodgett (LB). The probability of electronic transitions was calculated based on the molecular model of excitons, Franck-Condon states, Gaussian distribution of non-entangled chains with conjugate degree n, semi-empirical parameterization of energy gap, electric dipole moment, and electron-vibrational mode coupling. Based on the approach of the energy gap functional dependence 1/n, the inclusion of the non-homogeneity energy dispersion 1/n2 is essential to obtain good experimental data agreement, mainly, where the absorption spectra display peaks width of about 65 meV. For unresolved absorption spectra, such as those observed for a large number of conjugated polymers processed via spin-coating technique, for example, the non-homogeneity energy dispersion parameterization is not significant. We develop a model to describe the possible chemical reactions of conversion of poly(xylyliden tetrahydrothiophenium chloride) (PTHT) monomers to PPV monomers and PPV monomers in others monomers of different degrees of conjugation. The dependence 1/n of the functional energy gap was compared with experimental data oligomers and calculations optimized geometry by Density Functional Theory (DFT). Effects of exciton confinement were considered in the transition dipole moment functional. Simulations to calculate the oscillator strength of the absorption spectra in PPV oligomers indicate that the HOMO-LUMO state prevails over other excited states. Results obtained from the use of the distribution of the random walk are as good as those achieved by the use of Gaussian distribution of conjugated segments in simulations of absorption spectra of the PPV. The use of transition dipole moment functional, which includes the effect of exciton confinement together with the distribution of the random walk provide good results in adjustments theoretical absorption spectra of PPV with more consistent physical parameters. / Nesse trabalho fizemos um estudo teórico da forma de linha de absorção do poli(p-fenileno vinileno) (PPV). O modelo foi aplicado em filmes processados pelas técnicas: spin-coating (SC), layer-by-layer (LbL) e Langmuir-Blodgett (LB). A probabilidade de transição eletrônica foi calculada com base no modelo do exciton molecular, estados de Franck-Condon, distribuição Gaussiana de cadeias não emaranhadas com grau de conjugação n, parametrização semi-empírica do gap de energia, do momento de dipolo elétrico e do acoplamento eletrônico vibracional. Baseamos na aproximação do funcional do gap de energia de dependência 1/n, a inclusão da dispersão de energia não homogênea 1/n2, que é essencial para se obter uma boa concordância com os dados experimentais, principalmente em casos, onde o espectro de absorção apresenta picos com largura de aproximadamente 65 meV. Em espectros de filmes pouco definidos, tais como os processados pela técnica spin-coating, a dispersão de energia não homogênea não é significativa. Desenvolvemos um modelo para descrever as possíveis reações químicas de conversão de monômeros de poli- (cloreto de xilideno tetrahidrotiofeno) (PTHT) em PPV e de monômeros de PPV em outros de diferentes graus de conjugação. A dependência 1/n do funcional do gap de energia foi comparada com dados experimentais de oligômeros de PPV e cálculos otimizados da geometria pela Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Efeitos de confinamento de exciton foram considerados no funcional do momento de dipolo de transição eletrônica. Simulações feitas para calcular a força de oscilador no espectro de absorção em oligômeros de PPV indicam que o estado HOMO-LUMO prevalece sobre outros estados excitados. Resultados obtidos pelo uso da distribuição do passeio aleatório são tão bons quanto aos realizados pelo uso da distribuição Gaussiana de segmentos conjugados em simulações de espectros de absorção do PPV. O uso do funcional do momento de dipolo de transição, que inclui efeito de confinamento de excitons, junto com a distribuição do passeio aleatório propiciam bons resultados nos ajustes teóricos de espectros de absorção do PPV com parâmetros físicos mais consistentes. / Doutor em Física

Neste trabalho foram sintetizados a poli-2-etinilpiridina (P2EP), poli-4etinilpiridina (P4EP), o iodeto de poli(2-N-t-butilpiridiniumilacetileno) (P2EPtBu) e a poli-β-etinilnaftaleno (P&#946:EN), os quais são poliacetilenos substituídos. Estes polímeros, juntamente com o cloreto de poli(2-piridínio-2-piridilacetileno) (P2EPH), foram caracterizados por espectroscopia vibracional no infravermelho e Raman. Estes polímeros apresentaram variação na posição das bandas Raman com a energia da radiação excitante - chamada dispersão Raman ou fotosseletividade - da ordem de 10 cm-1, bem inferior ao apresentado pelo poliacetileno (cerca de 60 cm-1). Este deslocamento foi interpretado utilizando-se dois dos modelos existentes para descrever este fenômeno: o Modelo de Modo de Amplitude (AMM) e o Modelo de Coordenada de Conjugação Efetiva (ECCM), os quais fornecem informações sobre a estrutura polimérica e sobre seus níveis eletrônicos. Utilizando-se o AMM foi possível obter informações sobre os níveis eletrônicos excitados de mesma simetria que o estado eletrônico fundamental. Por outro lado, o ECCM, com a ajuda de cálculos DFT, mostrou diferenças na extensão da conjugação e no grau de dimerização entre o P2EP na forma cis e trans e indicou que este polímero apresentava, predominantemente, a estrutura cis, fato este confirmado pelos espectros no infravermelho. A dopagem com I2 provocou efeitos diferentes na estrutura dos polímeros. Os espectros no infravermelho dos polímeros dopados indicaram que o P2EP e o P2EPH apresentaram aumento na quantidade de segmentos cis enquanto o P2EPtBu apresentou diminuição na quantidade desses segmentos. Os espectros Raman dos polímeros dopados confirmaram os dados dos espectros no infravermelho. Esta diferença foi interpretada como sendo devida à diferença no volume do substituinte, pois grupos volumosos favorecem o isômero trans-cisóide onde a distância entre os substituintes é maior. A dopagem também levou a um aumento na condutividade dos polímeros, porém os valores de condutividade obtidos foram bem inferiores que os apresentados pelo poliacetileno dopado (10-5 a 10-7 contra 102 S cm-1, tipicamente). / In this work poly-2-ethynylpyridine (P2EP), poly-4-ethynylpyridine (P2EP), poly(2-N-t-butylpyridiniumylacetylene) iodide (P2EPtBu) and poly-β-pethynylnaphthalene (PβEN) were synthesized. These polymers, which are polyacetylenes derivatives, and poly(2-pyridinium-2-pyridylacetylene) chloride (P2EPH) were analyzed by vibrational techniques. It was observed that some Raman band positions shifted when excitation energy was changed, however this shift (ca. 10 cm-1) was substantially smaller than the presented by polyacetylene (ca. 60 cm-1). This phenomenon called Raman dispersion or photoselectivity - was examinated using Amplitude Mode Model (AMM) and Effective Conjugation Coordinate Model (ECCM) and gave us important information about polymer structure and its electronic energies levels. Using AMM it was possible to infere information about electronic excited states with the same symmetry of the electronic ground state. ECCM gave us evidences about differences in conjugation extension and dimerization degree between cis and trans structures. Besides this, ECCM was successful in indicating cis structure to P2EP. Infrared spectrum confirmed that this polymer is mainly cis. I2 doping of P2EP, P2EPH and P2EPtBu provoked differents perturbations in these systems. P2EP and P2EPH increased their cis segments amount, as showed by infrared spectra. On the other hand, this doping induced the decrease of cis segments in P2EPtBu. Raman spectroscopy supported these conclusions too. This difference was interpretated as due to the side group volume, which could favour one or another isomerization. Electronic conductivity increased by doping for all these three polymers, however the conductivity is considerably lower than the presented by polyacetylene (from 10-5 to 10-7 S cm-1 for these substituted polyacetylenes against typically 10-2 S cm-1 for polyacetylene).