Caracterização de nanocompósitos de um cristal líquido colunar com nanotubos de carbono de paredes múltiplas

Abstract

As excelentes propriedades elétricas e mecânicas dos nanotubos de cabono (NTCs) aliadas as propriedades ópticas, semicondutoras e de auto-organização dos cristais líquidos (CLs) tornam os compósitos formados por estes materiais atrativos para aplicações em eletrônica orgânica. O presente trabalho tem como objetivo principal caracterizar as propriedades físicas de um cristal líquido colunar baseado no centro aromático benzoperileno diimida diester quando misturado com diferentes proporções de nanotubos de carbono de paredes múltiplas, funcionalizados com ácido nítrico. Através da investigação das propriedades mesomórficas, térmicas, estruturais, ópticas, morfológicas e elétricas dos nanocompósitos CL:NTC deseja-se verificar a potencialidade para atuação em dispositivos optoeletrônicos, tais como os OLEDs e as células solares. A caracterização das propriedades mesomórficas das misturas revelou que a mesofase colunar hexagonal do CL é preservada nos compósitos mesmo a temperatura ambiente, tornando-os atrativos para aplicações práticas. Além disso, os resultados das medidas térmicas e estruturais indicaram que os nanotubos estão incorporados na matriz líquido-cristalina, perturbando a ordem colunar da mesofase, contudo, sem destruí-la. Um dos principais resultados deste trabalho foi a obtenção do alinhamento homeotrópico dos filmes finos de CL na presença das diferentes proporções de NTCs. Para tal, os filmes de CL:NTC foram confinados usando uma camada polimérica sacrificial e submetidos a um tratamento térmico a fim de reduzir a viscosidade da mesofase. Os processos de transferência de carga e de energia entre os nanomateriais foram investigados através de medidas fotofísicas no modo estacionário e resolvido no tempo. As amostras alinhadas apresentaram intensidades de absorção e emissão superiores em relação aos filmes não alinhados. O aumento da emissão também foi verificado pelas medidas de rendimento quântico absoluto. Nos espectros de fotoluminescência estacionária também foi observado um quenching da emissão do CL com a adição dos nanotubos. As medidas de tempo de vida do estado excitado (TCSPC) e de emissão resolvida no tempo (iCCD) mostraram que os filmes não alinhados de CL:NTC apresentaram fluorescência atrasada associada a aniquilação tripleto-tripleto (ATT). Para os filmes alinhados a fluorescência atrasada não foi observada, sendo que o alinhamento face-on suprimiu os estados tripletos. Em relação aos aspectos morfológicos, os filmes compósitos apresentaram rugosidade média de superfície inferior a 10 nm, sendo adequados para aplicações em dispositivos eletrônicos. A presença dos nanotubos aprimorou o transporte de buracos nos dispositivos ITO/PEDOT:PSS/H4:NTC-f/Al e permitiu a emissão de eletroluminescência.

Abstract: The excellent electrical and mechanical properties of carbon nanotubes (CNTs) combined with the optical, semiconductor and self-organizing properties of liquid crystals (LCs) make the composites formed by these materials attractive for applications in organic electronics. The present work has as main objective to characterize the physical properties of a columnar liquid crystal based on the aromatic benzoperylene diimide diester center when mixed with different proportions of multi-walled carbon nanotubes, functionalized with nitric acid. Through the investigation of mesomorphic, thermal, structural, optical, morphological and electrical properties of LC:CNT nanocomposites, is desired to verify the potential for performance in optoelectronic devices, such as OLEDs and solar cells. The characterization of the mesomorphic properties of the mixtures revealed that the hexagonal columnar mesophase of the LC is preserved in the composites even at room temperature, making them attractive for practical applications. In addition, the results of thermal and structural measurements indicated that the nanotubes are incorporated in the liquid-crystalline matrix, disturbing the columnar order of the mesophase, however, without destroying it. One of the main results of this work was the obtention of homeotropic alignment of the thin films of CL in the presence of different proportions of CNTs. For this, the LC:CNT films were confined using a sacrificial polymeric layer and submitted to a thermal treatment in order to reduce the viscosity of the mesophase. The charge and energy transfer processes between the nanomaterials were investigated through photophysical measurements in stationary mode and resolved in time. The aligned samples showed higher absorption and emission intensities compared to non-aligned films. The increase in emissions was also verified by absolute quantum yield measurements. In the stationary photoluminescence spectra, a quenching of the LC emission was observed with the addition of the nanotubes. The excited state lifetime (TCSPC) and time resolved spectroscopy (iCCD) measurements showed that the LC:CNT films present delayed fluorescence, which is associated to a triplet-triplet annihilation (TTA). For the aligned films, the delayed fluorescence was not observed, and the face-on alignment suppressed the triplet states. Regarding the morphological aspects, the composite films presented an average surface roughness of less than 10 nm, being suitable for applications in electronic devices. The presence of nanotubes improved the transport of holes in the ITO/PEDOT:PSS/H4:NTC-f /Al devices and allowed the emission of electroluminescence.