Et vindue til fældefri ladningstransport i organiske halvledere

Organiske halvledere, en klasse af kulstofbaserede materialer med optiske og elektroniske egenskaber, er nu almindeligt brugt til at fremstille en række enheder, herunder solceller, lysemitterende dioder og felteffekttransistorer. Disse halvledende materialer kan udvise en karakteristik kendt som meget unipolær ladningstransport, hvilket i bund og grund betyder, at de overvejende leder enten elektroner eller huller. Dette kan være noget problematisk, da det hæmmer deres effektivitet og ydeevne.

Forskere ved Max Planck Institute for Polymer Research har for nylig identificeret et energivindue, inde i hvilket organiske halvledere ikke oplever ladningsindfangning. Som forklaret i deres papir, udgivet i Naturmaterialer , dette vindue muliggør fældefri ladningstransport af begge transportører.

"I 2012 undersøgte vi indfangningen af ​​elektroner i konjugerede polymerer, og vi fandt ud af, at sænkning af energiniveauerne, hvor elektrontransport finder sted (dvs. LUMO), kunne reducere mængden af ​​elektronindfangning, " Gert-Jan Wetzelaer, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Sidste år, vi udviklede en strategi til at forbedre elektroderne i organiske halvlederenheder, hvilket gjorde det muligt for os at undersøge organiske halvledere med et meget stort udvalg af energiniveauer. I vores nye undersøgelse, vi var interesserede i, hvordan positionen af ​​disse energiniveauer ville påvirke transporten af ​​både elektroner og huller, selv for meget dybe energiniveauer, som tidligere ikke kunne udforskes."

For at undersøge, hvordan positionen af ​​energiniveauer kan påvirke en halvleders evne til at transportere både elektroner og huller, Wetzelaer og hans kolleger målte elektron- og hulstrømme i en række organiske halvledere. I deres tidligere arbejde, de observerede, at graden i hvilken denne strøm afhænger af spændingen påført over en halvledende film, kan bruges som et mål for mængden af ​​ladningsfangst.

Da forskerne målte strømmen, der passerer gennem en lang række organiske halvledere med forskellige energiniveauer, de fandt ud af, at energiniveauerne af individuelle materialer påvirkede, om strømmen var begrænset af ladningsindfangning eller ej. Efter at have udført en række eksperimenter og indsamlet adskillige observationer, de var i stand til at identificere et vindue, hvor organiske halvledere kan opnå fældefri ladningstransport.

Mere specifikt, de observerede, at når ioniseringsenergien af ​​et materiale stiger over 6 eV, hulindfangning forekommer, og dermed vil den ikke længere være i stand til effektivt at lede huller. På den anden side, når et materiales elektronaffinitet er lavere end 3,6 eV, det vil ikke være i stand til at transportere elektroner effektivt. For effektivt at lede både elektroner og huller, derfor, et materiales ioniserings- og elektronaffinitetsenerginiveauer bør være inden for dette specifikke vindue.

"Vores resultater antyder, at for optimal ydeevne, energiniveauerne af de organiske halvledere, der anvendes i enheder, såsom OLED'er og organiske solceller, skal være ideelt placeret inden for det opdagede energivindue, " sagde Wetzelaer. "Inde i dette energivindue, ledning af ladningsbærere vil være effektiv, hvilket er vigtigt for at omdanne elektricitet til lys og omvendt."

Undersøgelsen udført af Wetzelear og hans kolleger introducerer en generel designregel for organiske halvledere, der kan bruges til fremstilling af OLED'er, solceller og felteffekttransistorer. Denne 'generelle regel' specificerer ønskelige energiniveauer for at opnå højere effektivitet og ledningsevne i enheder bygget ved hjælp af disse materialer.

"Vi har for nylig formået at skabe en meget effektiv OLED baseret på disse designregler, med en meget mindre kompleks enhedsarkitektur end normalt brugt, " tilføjede Wetzelaer.

Wetzelaer og hans kolleger udførte en række simuleringer og indsamlede yderligere interessante resultater, tyder på, at vandklynger kunne være kilden til hulfangst. Denne nøgleobservation kunne hjælpe med at udtænke strategier til at fjerne ladningsfælder fra halvledende film.

I fremtiden, energivinduet identificeret af dette team af forskere kunne informere udviklingen af ​​mere effektive halvleder-baserede enheder. Ud over, deres observationer rejser interessante spørgsmål relateret til designet af blå OLED'er.

"I blå OLED'er, det nødvendige energigab for blåt lys er ca. 3,0 eV, som er større end det fældefri vindue, " sagde Wetzelaer. "Vi planlægger nu at undersøge strategier til at fjerne eller deaktivere ladningsfælder i organiske halvledere, at være i stand til at lave højeffektive blå OLED'er."

© 2019 Science X Network