Aplicação de métodos teóricos na investigação da transferência auto-consistente de elétrons em nano-retificador orgânico

Neste trabalho apresentamos um estudo teórico da estrutura eletrônica de uma molécula do tipo Doador-dinitrobenzene e um grupo Aceitador-dihydrophenazine (D-A) com pontes poliênicas variando de π = 0 à π = 10. Trata-se de um sistema promissor para o desenvolvimento de retificadores moleculares, que sob dopagem química podem vir a adquirir propriedades elétricas de material condutor. E ainda, sob ação de campo elétrico externo apresenta comportamento equivalente ao de dispositivos usuais, mas com inúmeras vantagens como, por exemplo, tamanho extremamente reduzido e intensa resposta ótica em regime não-linear. Para estudar esse sistema, fizemos otimizações de geometria sistematicamente, levando em conta cálculos de ZINDO/S-CIS (Zerner´s Intermediate Neglect of Differential Orbital/Spectroscopic – Configuration Interaction Single) que utilizam 220 configurações em média. Observamos uma transferência eletrônica calculada por métodos derivados de Hartree-Fock. Nossos resultados mostram uma delocalização bem definida dos Orbitais Moleculares de Fronteira (OMFs) HOMO[LUMO] nos grupos D[A] para molécula com ponte poliênica relativamente grande. Para estruturas com ponte poliênica relativamente pequena o contrário é observado, e uma uniformidade dos OMFs nos terminais DA é verificada. O que indicaria que somente as estruturas com ponte poliênica relativamente grande seriam promissoras pra criação de dispositivos, tendo LUMO como canal de condução. Um estudo detalhado do rearranjo de carga molecular para a mesma estrutura, sob a ação de um campo elétrico externo mostrou que o transporte de carga no grupo D[A] independe do tamanho da ponte poliênica. A voltagem aplicada é intensa o bastante para criar um potencial de saturação para este sistema com grupos DA muito próximos (evidenciando uma região de saturação e uma região de operação para sistemas com pontes pequenas), normalmente presente e sistemas com ponte molecular relativamente grande e nos dispositivos semicondutores macroscópicos. Acreditamos que o OMF LUMO desempenha um papel importante no que diz respeito ao transporte de carga em estruturas relativamente grandes, seguido de falhas em estruturas moleculares onde o grupo D está muito próximo do A. Nossos resultados mostram que temos um retificador molecular que pode trabalhar corretamente como um retificador macroscópico.

ABSTRACT: In this work we present a theoretical study on the electronic structure of a molecule of the type Donor- dinitrobenzene and a group Acceptor- dihydrophenazine (D-A) with polienic bridges varying of π = 0 to the π = 10. It’s a promising system for construct molecular rectifiers that under chemical to dope can come to acquire electric properties of conductive material. It is still, under action of external electric field it presents equivalent behavior to the of usual devices, with countless advantages, for instance, extremely reduced size and intense optical response in a non-linear regime. To study this class of system, we optimize the geometry systematically, performing ZINDO/S-CI (Zerner´s Intermediate Neglect of Differential Orbital/Spectroscopic – Configuration Interaction Single) calculations and using 220 configurations as average. We observe the electronic transfer calculated by Hartree-Fock. Our results show a well defined localization of the Boundary Molecular Orbitals (BMOs) HOMO [LUMO] at the D [A] groups for large polienic bridges. The opposite is verified for small bridges and uniformity is observed for the BMOs in the DA terminals. This would indicate that only large polienic bridges work for devices using the LUMO as conduction channel. A detailed analysis of the molecular charge rearrangement due to an external electric field shows that the charge transport at the D [A] group is bridge size independent. An applied voltage suffices to create a saturation potential for this system with too close DA groups (presenting a saturation and an operation region to systems with small bridges), usually present in systems with relatively large molecular bridge and in macroscopic semiconductors devices. We believe that the LUMO play an important role in the charge transfer at relatively large structures, in addition to fails in molecular structures where the D group is too closer to A. Our results show that we have a Molecular rectifier that works as a macroscopic rectifier.