Novel erbium(iii) and ytterbium(iii)-based materials for optoelectronic and telecommunication applications

Abstract

OBJETIVOS El objetivo general ha sido validar la utilización de nuevos complejos altamente coordinados de erbio(III) e iterbio(III) como materiales para Optoelectrónica y Telecomunicaciones. Como objetivos específicos se han planteado el diseño, síntesis y caracterización de los nuevos materiales y el estudio de su viabilidad en cuatro tipos de aplicaciones ingenieriles: matrices aptas para arquitecturas ópticas pasivas y activas; diodos orgánicos emisores en tercera ventana (1.54 µm); materiales con comportamiento óptico no-lineal mejorado para su uso en interruptores ópticos, limitadores ópticos y otras aplicaciones ultrarrápidas; e imanes mono-moleculares, que encuentran aplicación en almacenamiento de información, computación cuántica y espintrónica. METODOLOGÍA Para el diseño de los nuevos materiales se ha recurrido a métodos de Química Computacional de tipo semi-empírico, menos pesados desde un punto de vista computacional que los métodos ab-initio tradicionales y significativamente más versátiles que los métodos de mecánica molecular. En concreto, tras una evaluación de los métodos NDDO más habituales (AM1, PM3, PM6 y el recientemente publicado PM7), se ha optado por métodos Sparkle/PM6 y Sparkle/PM7 para la obtención de las configuraciones de equilibrio energético. Estos estudios han contado con la supervisión del Prof. Chamorro Posada (ETSIT, Universidad de Valladolid). La síntesis de los nuevos materiales se ha llevado a cabo en las instalaciones del Laboratorio de Materiales Avanzados (ETSIIAA, Universidad de Valladolid), bajo la supervisión del Prof. Martín Gil. La estructura de los complejos ha sido elucidada por difracción de rayos-X de monocristal en las instalaciones del CEMDRX (Universidad de Coimbra). Adicionalmente, y para confirmar la pureza y homogeneidad de las muestras, se ha procedido a la obtención de difractogramas de polvo. Los materiales han sido caracterizados por análisis elemental orgánico, espectroscopías ATR-FTIR y Raman, calorimetría diferencial de barrido, resonancia magnética nuclear y resonancia de spin electrónico. Cara a su aplicación, se han investigado en detalle las propiedades de absorción óptica y fotoluminiscencia en las regiones visible e infrarroja, tanto en estado sólido como en solución, en las instalaciones del grupo MALTA-Consolider de la Universidad de La Laguna. La preparación y caracterización fotoluminiscente de las matrices híbridas dopadas con los nuevos materiales para su uso en Comunicaciones Ópticas ha tenido lugar en el Instituto Max Planck para Estado Sólido (Stuttgart) y en la Universidad de la Laguna. Los diodos orgánicos emisores en el infrarrojo cercano han sido fabricados y caracterizados en el CLUE (Universidad de Columbia, Nueva York), en el Instituto Max Planck para Estado Sólido y, principalmente, en la Universidad Rey Juan Carlos en colaboración con el ISOM-UPM y el ICMM-CSIC (Madrid). El estudio del comportamiento óptico no-lineal se ha realizado en colaboración con el Grupo de Fotónica de la Universidad de Vigo (Campus de Orense). La caracterización de las propiedades magnéticas como SIMs se ha llevado a cabo en las instalaciones del Campus Tecnológico y Nuclear del ITN (Lisboa). PRINCIPALES RESULTADOS Tras diseño por métodos semi-empíricos, se han sintetizado y caracterizado exhaustivamente 44 nuevos complejos ternarios de erbio(III) e iterbio(III). La estrategia sintética, basada en un entorno de octacoordinación asegurado por seis oxígenos procedentes de tres ligandos ß-dicetonato y dos nitrógenos de una base de Lewis, ha demostrado su eficacia para la transferencia de energía de los ligandos al ión lantánido central. Adicionalmente, este entorno químico ha otorgado a los nuevos materiales propiedades altamente deseables desde un punto de vista ingenieril, en términos de estabilidad térmica, procesabilidad, capacidad de formación de películas y propiedades de transporte de carga. Los datos experimentales asociados a la caracterización de los nuevos materiales han resultado extraordinariamente valiosos para la interpretación de las relaciones estructura/propiedades, proporcionando pautas para el desarrollo de materiales con eficiencias de luminiscencia superiores. Los nuevos materiales fotofuncionales han sido ensayados como dopantes en películas de matrices híbridas, más concretamente xerogeles orgánicamente modificados y polímeros, mostrando su idoneidad para el desarrollo de amplificadores ópticos de bajo coste a escala centimétrica, con figuras de mérito ópticas y mecánicas superiores, y su aptitud para la fabricación de circuitos fotónicos integrados. Los materiales también han sido empleados con éxito en dispositivos NIR-OLED procesados desde solución. El procedimiento de fabricación, optimizado gracias a las excelentes propiedades de formación de películas y al comportamiento ambipolar de los materiales (que permiten su utilización como capas activas sin necesidad de recurrir a matrices anfitrionas), junto con la tecnología de nano-ablación por descarga eléctrica utilizada, abre la puerta a la producción de NIR-OLEDs de área amplia por métodos de bajo coste. Los estudios preliminares del comportamiento óptico no-lineal, llevados a cabo para determinados complejos de iterbio(III), indican una sustancial mejora del n2 frente a materiales ampliamente utilizados como el CS2. Este resultado ha sido confirmado por cálculos de química cuántica. Relativo al comportamiento como magnetos moleculares de los nuevos materiales, las muestras ensayadas hasta la fecha han resultado ser SIMs con barreras efectivas razonablemente altas, a consecuencia de los elevados momentos magnéticos y la fuerte anisotropía de los lantánidos. El considerable potencial de estos materiales para su deposición superficial y aplicaciones en dispositivos nos permiten ser optimistas sobre su futura utilidad en sistemas de almacenamiento de alta densidad, sensores y nano-dispositivos electrónicos. Los resultados anteriores han sido protegidos, hasta su aplicación definitiva, por sendas patentes nacional e internacional (ES 2388091 A1 y WO/2012/120175, respectivamente), cuya titularidad corresponde a la Universidad de Valladolid.