Simulação computacional de filmes finos de semicondutores orgânicos através de dinâmica molecular

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sousa, Karlisson Rodrigo de Almeida, 1989-
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/69501
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Marlus Koehler
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spelling Sousa, Karlisson Rodrigo de Almeida, 1989-Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em FísicaKoehler, Marlus, 1970-2021-10-08T21:12:50Z2021-10-08T21:12:50Z2020https://hdl.handle.net/1884/69501Orientador: Prof. Dr. Marlus KoehlerTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física. Defesa : Curitiba, 28/02/2020Inclui referências: p. 99-113Resumo: Nesta tese empregamos tecnicas computacionais baseadas na dinamica molecular classica (DM) para estudar morfologias de filmes finos de materiais utilizados em dispositivos fotovoltaicos organicos. Nossa intençao e entender alguns fenômenos que ocorrem ao produzir esses filmes com diferentes metodos laboratoriais e fornecer uma alternativa para futuras exploracões de novos materiais orgânicos visando seu uso em escala industrial. Portanto, discutimos três metodos diferentes usados em laboratório para controlar a morfologia de filmes finos. Num primeiro sistema discutido, estudamos os efeitos usando o aditivo 1,8-diiodooctanô (DIO) na morfologia dos filmes de F8T2 depositados com soluçao de clorobenzeno. Ao adicionar o DIO ha um aumento na densidade de conformações simetricas dos tiofenos ao longo da cadeia do F8T2, de acordo com resultados de colaboradores. Essas conformacoes aumentam o espectro de absorçao de luz na regiao de comprimentos de onda mais longos. O segundo sistema discutido consiste no pol Imero doador de eletrons PTB7-Th processado com o solvente halogenado orto-diclorobenzeno em um caso e com o solvente não-halogenado ( "verde" ) ortometilanisol em outro caso. Quando comparamos as morfologias teorico-computacionais apos as evaporações desses dois solventes, observamos algumas diferenças. Por exemplo, o solvente verde produz um filme fino com menor densidade de massa, maior rugosidade (importante na maximizaçao da area de contato com o material aceitador) e, atraves de simulacões em Monte Carlo (MC), verificamos uma maior mobilidade do buracos. No terceiro sistema estudamos a morfologia da mistura formada pela molecula doadora de eletrons DRCN5T e a molecula aceitadora C60. A evaporacõo do clorofórmio produz uma mistura uniformemente distribu ída de moleculas aceitadoras e doadoras. Apos a evaporaçao do solvente, realizamos tratamentos termicos para verificar a influencia de altas temperaturas na morfologia da mistura final. De acordo com a morfologia dos filmes reais, grupos de moleculas identicas apareceram ao aplicar altas temperaturas. Os parêmetros para os calculos de DM e MC foram obtidos usando calculos da teoria do funcional de densidade para determinar as estruturas espaciais de m ínima energia no estado fundamental. Em seguida, aplicamos os parêmetros de equil íbrio dessas estruturas otimizadas. Outros parêmetros foram obtidos do campo de forca Optimized Potentials for Liquid Simulations. Eles foram usados nas equaçoes de movimento de Newton durante o DM. Empregamos uma tecnica computacional para extrair moleculas do sistema para simular a evaporação do solvente e, consequentemente, a produçao do filme fino contendo apenas o soluto. Para este estudo, utilizamos o pacote GROMACS 5.1.4, criado inicialmente para DM de sistemas l íquidos, o programa Gaussian 9.0 para obter parâmetros em qu ímica quantica e alguns resultados experimentais reportados na literatura e fornecidos por colaboradores. Palavras-Chave: Dispositivos fotovoltaicos organicos. Pol Imeros conjugados. Solventes. Dinamica molecular classica. DFT. Monte Carlo.Abstract: In this thesis, we employ computational techniques based on classical molecular dynamics (MD) to study thin film morphologies of materials used in organic photovoltaic devices. We intend to understand some phenomena that occurred when producing these films with different laboratory methods and provide an alternative for future explorations of new organic materials aiming their use on an industrial scale. Therefore, we discuss three different methods used in the laboratory to control thin film morphology. In a first discussed system we studied the effects using the additive 1,8-diiodooctane (DIO) in the morphology of F8T2 films deposited using chlorobenzene solution. When adding DIO there is an increase in the density of symmetric conformations of the thiophenes along the F8T2 chain in agreement with the results of our collaborators. These conformations increase the light absorption spectrum for the region of longer wavelengths. The second discussed system consists of the electron donor polymer PTB7-Th processed with the halogenated o/tfio-dichlorobenzene solvent in one case and with the non-halogenated ( "green" ) o/tfio-methylanisole solvent in another case. When we compare the theoretical-computational morphologies after the evaporations of these two solvents, we observe some differences. For example, the green solvent produces a thin film with lower mass density, higher roughness (an important property in maximizing the contact area with the electron acceptor material) and, using Monte Carlo (MC) simulations, we also verified a greater mobility of the holes. In the third system, we studied the morphology of the blend formed by the electron donor molecule DRCN5T and the acceptor molecule C6o. The evaporation of chloroform produces a uniformly distributed blend of acceptor and donor molecules. After the solvent evaporation, we perform thermal treatments to check the influence of high temperatures on the final blend morphology. In agreement with the morphology of real films after annealing, clusters of identical molecules appeared when applying high temperatures. The parameters for MD and MC calculations were first obtained using density functional theory calculations to determine the spatial structures of minimal energy in the ground state. Then, we applied the equilibrium parameters of these optimized structures. Other parameters were obtained from the Optimized Potentials for Liquid Simulations force field. They were used in Newton's equations of motion during the MD. We employed a computational technique to extract molecules from the system to simulate solvent evaporation and, consequently, the production of the thin film containing only the solute. For this study we used the GROMACS 5.1.4 package, initially created for MD of liquid systems, the Gaussian 9.0 program to obtain parameters in quantum chemistry and some experimental results reported in the literature and provided by collaborators. Keywords: Organic photovoltaic devices. Conjugated polymers. Solvents. Classical molecular dynamics. DFT. Monte Carlo.121 p. : il. (algumas color.).application/pdfPolímeros conjugadosDinamica molecularFísicaSimulação computacional de filmes finos de semicondutores orgânicos através de dinâmica molecularinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - KARLISSON RODRIGO DE ALMEIDA SOUSA.pdfapplication/pdf79523675https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/69501/1/R%20-%20T%20-%20KARLISSON%20RODRIGO%20DE%20ALMEIDA%20SOUSA.pdf6495c0542523b48896c2473b0c074fd2MD51open access1884/695012021-10-08 18:12:51.009open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/69501Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082021-10-08T21:12:51Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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