2.2. Kaynaştırma Eğitimi
2.2.4. Kaynaştırmanın Yararları
Em 2003 Kalinowski et al.[22] descobriu que dispositivos baseados em Alq3 e com
eletrodos não magnéticos apresentavam um aumento em sua corrente (~5%), assim como, um aumento em sua emissão de luz (~3%), quando estes são submetidos a campos magnéticos de 0 a 500 mT. Tais efeitos foram explicados supondo-se que o campo magnético modularia a taxa de formação de pares elétron-buraco nos estados singleto e tripleto devido ao acoplamento de hiperfina o que influenciaria os processos de recombinação de elétrons e buracos na camada de Alq3.
Um ano mais tarde, Francis et al.[23], empregando dispositivos baseados em polifluoreno (PFO), verificaram que mudanças significativas (~10%) na resistência desses dispositivos eram obtidas devido à aplicação de pequenos campos magnéticos (~10 mT) e em temperatura ambiente. Neste estudo também verificou que os MFEs poderiam ser positivos ou negativos, dependendo da voltagem aplicada nestes dispositivos, e que estes não dependiam do sentido nem da direção do campo magnético aplicado. Medidas realizadas em diferentes temperaturas mostraram que os MFEs possuíam uma fraca dependência com este parâmetro.
Este trabalho introduziu o termo de “efeito de magnetoresistência” para materiais orgânicos (do inglês “organic magnetoresistance effect” – OMAR) e alavancou uma série de estudos sobre este novo fenômeno para os anos seguintes.
23 Mermer et al.[24] mostraram que o efeito de OMAR se tratava de um fenômeno geral, observado tanto em polímeros conjugados como em materiais baseados em pequenas moléculas orgânicas.
A Figura 1.9, como exemplificação, apresenta curvas tradicionais de OMAR em função do campo magnético
R R[R(B)R(0)] R(0)
para um dispositivo baseado em PFO na temperatura de 200 K e para diferentes voltagens aplicadas, resultante desses estudos pioneiros apresentados por Mermer et al[24].Figura 1.9: Curvas de magnetoresistência
R R
do dispositivo (ITO/PFO(60 nm)/Ca) obtidas para diferentes voltagens. O gráfico inserido mostra a resistência do dispositivo como uma função da voltagem aplicada. Essa figura foi adaptada de Mermer et al.[24].Em especial, é interessante observar na Figura 1.9 que o sinal da curva de OMAR pode ser tanto positivo quanto negativo dependendo das condições de operação do dispositivo.
24 Embora em muitos estudos verifica-se que a temperatura seja um parâmetro pouco influente nos efeitos de OMAR, esta relação não é uma característica geral. A Figura 1.10 evidencia a dependência do sinal das curvas de OMAR com a temperatura e a tensão aplicada para um dispositivo baseado no polímero RR-P3HT, apresentado por Mermer et al[24].
Figura 1.10: Curvas de magnetoresistência
R R
do dispositivo (ITO/PEDOT/RR-P3HT/Ca) obtidas em diferentes temperaturas (100, 200 e 300 K). Os gráficos inseridos mostram a resistência do dispositivo como uma função da voltagem aplicada. Fonte Mermer et al.[24].Conforme apresentado na Figura 1.10, as curvas de OMAR são todas positivas para a temperatura ambiente; tais curvas se tornam negativas para a temperatura de 100 K e, para a temperatura de 200 K, estas mudam de sinal (positivo para negativo) conforme se aumenta a voltagem aplicada.
25 Ainda neste trabalho, Mermer et al.[24] medindo diferentes materiais, observou que para alguns desses as curvas de OMAR saturavam para um campo magnético da ordem de 50 mT, enquanto que para outros dispositivos a saturação do efeito ocorria apenas para campos mais intensos.
Assim, duas formas de linha foram encontradas para descrever as curvas tradicionais de magnetoresistência orgânica em função do campo magnético aplicado
R R
.Dependendo do material orgânico e das condições de operação do dispositivo, observou-se que as curvas de
R R
poderiam ser descritas: (i) ou por uma forma de linha do tipo lorentziana
R R~[B2 (B2 B02)]
; ou (ii) por uma forma de linha do tipo não-lorentziana
~[ ( )2]
0 2 B B B R R [24]. O parâmetro de ajuste B0 encontrado para diversos materiais investigados mostrou ser da ordem de 3 a 5 mT[24,25,26]. Inicialmente, tais expressões para a descrição das curvas experimentais de
R R
foram obtidas de forma empírica, através dos processos de ajuste dessas curvas; posteriormente, foi sugerido que tais relações estivessem associadas com características dinâmicas dos processos de mudanças de estado de spin (do inglês “spin flips”) devido às interações dos spins dos portadores de carga com os momentos de spin nucleares presentes no material (interação hiperfina)[25,27].A Figura 1.11 ilustra um resultado apresentado por Mermer et al.[24], onde: (i) para os semicondutores baseados em pentaceno, RR-P3HT e em RRa-P3OT [regiorandom poly(3- octyl-thiophene)], as suas curvas de OMAR apresentam uma saturação desse efeito para um campo magnético da ordem de 50 mT, tais curvas podem ser bem ajustadas por uma função do tipo lorentziana; enquanto que (ii) para os dispositivos baseados em PFO, Alq3, Pt-PPE e
em PPE, as suas referidas curvas de OMAR apresentam uma saturação desse efeito para campos magnéticos mais intensos de 50 mT e, por sua vez, tais curvas são bem ajustadas considerando uma função do tipo não-lorentziana.
26 Figura 1.11: Curvas normalizadas de magnetoresistência
R R
dos dispositivos baseados em PFO, RRa- P3OT, RR-P3HT, Pt-PPE, PPE, Alq3 e em pentaceno; obtidas na temperatura ambiente. As curvas foram transladadas para melhor visualização. Fonte, Mermer et al.[24].Como anteriormente mencionado, o parâmetro B0 obtido através dos ajustes das curvas tradicionais de OMAR empregando as expressões descritas acima apresenta valores comumente entre 3 e 5 mT, os quais são da ordem dos campos de hiperfina dos materiais orgânicos, o que sugere que esta interação poderia ser um dos processos essenciais para a ocorrência do fenômeno de OMAR. Neste sentido, estudos foram realizados para analisar o papel dos átomos de hidrogênio nos compostos orgânicos e, consequentemente, o papel da interação hiperfina para a ocorrência do efeito de OMAR.
Neste contexto, medidas de OMAR foram realizadas para o dispositivo (ITO/C60/Ca/Al). Uma vez que o fulereno (carbono-60, C60) não apresenta átomos de
hidrogênio em sua estrutura, a interação hiperfina estaria ausente neste material e, assim, o fenômeno de OMAR não deveria ser observado. De fato, mesmo considerando o isótopo do
27 carbono (13C, portador de spin) a hiperfina resultante seria da ordem de 6μT[28], a qual é três
ordens de grandeza menor que os campos relevantes para o fenômeno de OMAR. A Figura
1.12 apresenta os resultados desse estudo, onde se verifica que nenhum efeito de OMAR foi de fato observado para o dispositivo baseado em C60 (curva representada pela linha preta).
Porém, ao substituir intencionalmente o C60 pelo seu derivado PCBM, o qual apresenta
átomos de hidrogênio em sua estrutura e, consequentemente, a presença de interações hiperfinas, verifica-se a ocorrência do fenômeno de OMAR.
Figura 1.12: Curvas de magneto-condutância
I I do dispositivo (ITO/PCBM(~160 nm)/Ca) (em vermelho) obtidas para três diferentes temperaturas e para uma corrente de 100 μA. A linha preta representa a ausência do efeito de OMAR para o dispositivo (ITO/C60(~160 nm)/Ca). As estruturas moleculares para o C60 e para o PCBM encontram-se representadas nesta figura. Fonte[29].No contexto dos fenômenos de OMAR, uma grande discussão na comunidade é se esses podem estar relacionados a apenas um tipo de portador de carga ou necessariamente a processos envolvendo os dois tipos de portadores de carga.
28 Alguns pesquisadores defendem a posição que o efeito de OMAR pode resultar de processos dinâmicos dependentes de spin entre portadores de mesmo tipo, sendo assim, tal fenômeno poderia ser observado em dispositivos unipolares[24,30,31,27]. Por outro lado, outros pesquisadores defendem que o efeito de OMAR é evidenciado quando ambos os portadores de carga são injetados no dispositivo[32,33,34]. Desai et al.[35] realizou estudos onde tem mostrado que o efeito de OMAR só passa a ser detectado quando a voltagem aplicada é tal que o dispositivo se encontra num estado emissor de luz.
De maneira geral, dentre os modelos teóricos propostos para a explicação do fenômeno de OMAR, os mais referenciados se dividem em duas vertentes: (i) uma se baseia na dinâmica de spins envolvendo apenas um tipo de portador de carga, onde se fundamenta o modelo do “bipólaron”[27] e; (ii) a outra vertente se fundamenta no pressuposto que a origem do efeito de OMAR esteja relacionada com mecanismos dependentes de spin evolvendo os dois tipos de portadores de carga; nessa vertente encontram-se, principalmente, os modelos do “par elétron-buraco”[36,37] e da interação “éxciton tripleto-pólaron”[35,38].