Thermal properties of TPD-based organic glasses

Glassy materials are condensed matter systems showing physical properties in between solids and liquids and retaining information about the thermal history they have been subjected to and the way they have been prepared. Formally, this implies that their configurational energy landscape is a complex multi-dimensional surface, showing quite a few basins with different depths, widths, and shapes: the system can be trapped in any of them, assuming very unlike physical properties. Recently, it has been demonstrated experimentally that a glassy system can be grown by physical vapor deposition of organic molecules on a substrate. The physics of such organic glasses is enriched by a new feature, namely: the anisotropic molecular structure of the basic building blocks used to assemble the film. TPD-based organic glasses have been generated by atomistic simulations that mimic vapor deposition and their thermal properties have been accordingly calculated. Simulations generate a rational phenomenology, providing robust evidence that heat transfer is not isotropic but, rather, correlated to an inherent molecular property, namely the axial structure of the TPD molecule. Furthermore, we present the first theoretical prediction of the specific heat trend versus temperature, showing in the quantum regime an intriguing anomaly with respect to crystalline systems.

I vetri sono sistemi di materia condensata con proprietà fisiche intermedie tra quelle dei liquidi e quelle dei solidi. La loro struttura atomistica è determinata sia dalla loro storia termica sia dai metodi di preparazione. Da un punto di vista formale ciò corrisponde a un’iper-superficie di energia configurazionale di topologia molto complessa, caratterizzata da molti diversi bacini che differiscono per forma, estensione e profondità. Il sistema può essere intrappolato in ciascuno di essi, assumendo proprietà fisiche significativamente diverse. È stato dimostrato sperimentalmente che è possibile ottenere uno stato vetroso per deposizione di molecole organiche da fase vapore su un substrato solido. In questo caso la fisica del vetro risultante è ancora più complessa perché entrano in gioco fattori addizionali, quale ad esempio l’anisotropia della sottostante struttura molecolare. Abbiamo generato al computer un insieme di campioni di vetri organici costituiti da molecole TPD, mimando il processo di deposizione da fase vapore e ne abbiamo calcolato le proprietà termiche mediante tecniche di simulazione atomistica. In particolare, abbiamo elaborato un modello molto accurato capace (i) di spiegare le risultanze sperimentali indicanti un carattere fortemente anisotropo nella trasmissione di calore e (ii) di predire l’andamento in temperatura del calore specifico di questi vetri. In particolare, riportiamo nel regime quantistico di bassissime temperature l’evidenza di un’interessante anomalia rispetto ai sistemi cristallini.