Nanostructuring and properties of polymer surfaces with applications in energy

Resumen

La integración de polímeros funcionales en la electrónica orgánica es de gran interés por su potencial aplicación en dispositivos fotovoltaicos y diodos, debido principalmente a características como la alta resistencia química, la posibilidad de procesado a baja temperatura, su ligereza y durabilidad, entre otras. La incorporación de polímeros en los dispositivos actuales que tienden a la miniaturización afronta varios retos. En general, las propiedades macroscópicas de polímeros están estrechamente relacionadas con su estructura, que es jerárquica desde la escala nanométrica a la milimétrica. Por tanto, desde el punto de vista fundamental, comprender el efecto de la miniaturización en la estructura y los fenómenos físicos de estos polímeros proporcionaría control sobre las propiedades de los materiales incorporados en dispositivos ayudando al diseño de nuevas aplicaciones. En esta Tesis se ha tratado de cumplir con el objetivo de preparar sistemas binarios formados por pares de polímeros funcionales o pares de materiales orgánicos, y comprender las variaciones de ciertas propiedades del polímero cuando se nanoestructura, sobre todo cuando se crean superficies nanoestructuradas. Para la preparación de estos sistemas binarios se emplearon diferentes metodologías: la mezcla directa en solución (mezclas de compuestos orgánicos donadores / aceptores y de polímeros semiconductores y ferroeléctricos), las estructuras de dos capas de polímeros semiconductores / ferroeléctricos, preparadas por `spin coating¿ secuencial y nanoestructuración de polímero ferroeléctrico en forma de nanoesferas que se incorpora a una película de polímero semiconductor. En lo que se refiere al estudio de procesos físicos fundamentales en estos sistemas, el mecanismo de conducción y la dinámica molecular en una heterounión en volumen formada por la mezcla de compuestos orgánicos donador / aceptor se ha estudiado mediante espectroscopia dieléctrica. La modificación de las propiedades ferroeléctricas en copolímeros al azar de poli(fluoruro de vinilideno) y poli(trifluoroetileno) debida a nanoestructuración y a la combinación con polímeros semiconductores ha sido abordada por Microscopía de Piezorespuesta. Por otro lado, se han creado superficies nanoestructuradas de polímeros funcionales mediante técnicas láser, principalmente se crearon Laser Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) en un polímero modelo, poliestireno. Mediante el estudio de la creación de LIPSS en el poliestireno, se evalúa el efecto de las características del material y del sustrato en la calidad de las estructuras obtenidas. El conocimiento adquirido en ese estudio permitió afrontar la nanoestructuración de superficies de polímeros funcionales, tales como el polímero semiconductor poli(3-hexiltiofeno), P3HT, y un sistema binario más complejo formado por dos capas de polímero semiconductor / polímero ferroeléctrico. En este caso, se añadía el reto de la utilización de técnicas láser para estructurar un polímero no absorbente (el ferroeléctrico). Asimismo, la estructura cristalina interna de las películas de polímero se ha estudiado mediante el uso de técnicas de dispersión de rayos X en geometría de incidencia rasante. Los principales resultados de este trabajo son la comprensión de la modificación del mecanismo de conducción en un sistema binario con respecto al mecanismo de un único componente, el control sobre los parámetros que gobiernan la formación de LIPSS en una película de polímero, y su aplicación a estructuras más complicadas de polímeros funcionales, y finalmente la modificación de la ferroelectricidad en nanoestructuras de polímeros ferroeléctricos, debido a la presencia de una fase adyacente de polímero semiconductor. Para terminar, la conclusión principal de esta Tesis es que, es crucial comprender el papel de los parámetros fundamentales en los procesos físicos subyacentes en la construcción de una superficie nanoestructurada de polímeros funcionales.