Afdækning af fysikken i, hvordan elektroner skærmer mod ledningsevnedræber i organiske halvledere

Organiske halvledere er lovende materialer til optoelektroniske applikationer på grund af deres unikke egenskaber, såsom lave omkostninger, løsningsbearbejdelighed og mekanisk fleksibilitet. Deres ydeevne er dog ofte begrænset af tilstedeværelsen af ​​urenheder og defekter, som kan fange ladningsbærere og reducere ledningsevnen. En af de mest almindelige ledningsevnedræbere i organiske halvledere er oxygen, som let kan diffundere ind i materialet og danne ladningsfælder.

I dette arbejde bruger vi en kombination af eksperimentelle teknikker og teoretiske beregninger til at undersøge, hvordan elektroner skærmer mod ilt-inducerede ladningsfælder i organiske halvledere. Vi viser, at elektroner kan danne en sky omkring iltmolekyler, som forhindrer dem i at fange ladningsbærere. Denne screeningseffekt er stærkere i materialer med høj elektronmobilitet, og den kan forstærkes ved at øge dopingkoncentrationen.

Vores resultater giver ny indsigt i ladningstransportens fysik i organiske halvledere og foreslår strategier til forbedring af disse materialers ledningsevne. Dette kan føre til udviklingen af ​​mere effektive organiske solceller, lysemitterende dioder og andre optoelektroniske enheder.

Introduktion

Organiske halvledere er en klasse af materialer, der har elektriske egenskaber svarende til dem for uorganiske halvledere, men de er sammensat af organiske molekyler snarere end atomer. Dette gør dem meget mere alsidige end uorganiske halvledere, og de kan bearbejdes til tynde film ved hjælp af løsningsbaserede teknikker. Dette gør dem ideelle til brug i en række forskellige applikationer, såsom solceller, lysemitterende dioder og transistorer.

Imidlertid er ydeevnen af ​​organiske halvledere ofte begrænset af tilstedeværelsen af ​​urenheder og defekter. Disse kan fange ladningsbærere, hvilket reducerer materialets ledningsevne. En af de mest almindelige ledningsevnedræbere i organiske halvledere er oxygen, som let kan diffundere ind i materialet og danne ladningsfælder.

I dette arbejde bruger vi en kombination af eksperimentelle teknikker og teoretiske beregninger til at undersøge, hvordan elektroner skærmer mod oxygen-inducerede ladningsfælder i organiske halvledere. Vi viser, at elektroner kan danne en sky omkring iltmolekyler, som forhindrer dem i at fange ladningsbærere. Denne screeningseffekt er stærkere i materialer med høj elektronmobilitet, og den kan forstærkes ved at øge dopingkoncentrationen.

Eksperimentelle teknikker

Vi brugte en række eksperimentelle teknikker til at undersøge screeningen af ​​oxygen-inducerede ladningsfælder i organiske halvledere. Disse teknikker omfattede:

* Fotoluminescens (PL) spektroskopi: PL-spektroskopi kan bruges til at måle emissionen af ​​lys fra et halvledermateriale. Intensiteten af ​​PL-emissionen er proportional med antallet af gratis ladningsbærere i materialet. Derfor kan PL-spektroskopi bruges til at undersøge, hvordan ilt påvirker antallet af frie ladningsbærere i en organisk halvleder.

* Kapacitans-spænding (C-V) profilering: C-V profilering kan bruges til at måle de elektriske egenskaber af et halvledermateriale. Kapacitansen af ​​et halvledermateriale er proportional med antallet af frie ladningsbærere i materialet. Derfor kan C-V profilering bruges til at undersøge, hvordan ilt påvirker antallet af frie ladningsbærere i en organisk halvleder.

* Mobilitetsmålinger: Mobilitetsmålinger kan bruges til at måle afdriftshastigheden af ​​ladningsbærere i et halvledermateriale. Ladningsbærernes mobilitet er proportional med antallet af gratis ladebærere i materialet. Derfor kan mobilitetsmålinger bruges til at undersøge, hvordan ilt påvirker antallet af frie ladningsbærere i en organisk halvleder.

Teoretiske beregninger

Vi udførte også teoretiske beregninger for at undersøge screeningen af ​​oxygen-inducerede ladningsfælder i organiske halvledere. Disse beregninger var baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT). DFT er en beregningsmetode, der kan bruges til at beregne den elektroniske struktur af materialer. Vi brugte DFT til at beregne energiniveauerne af oxygenmolekyler i en organisk halvleder. Vi beregnede også ladningstætheden omkring oxygenmolekyler. Disse beregninger gjorde det muligt for os at forstå, hvordan elektroner skærmer mod ilt-inducerede ladningsfælder.

Resultater og diskussion

Vores eksperimentelle og teoretiske resultater viser, at elektroner kan danne en sky omkring iltmolekyler i en organisk halvleder. Denne sky af elektroner forhindrer iltmolekylerne i at fange ladningsbærere. Denne screeningseffekt er stærkere i materialer med høj elektronmobilitet, og den kan forstærkes ved at øge dopingkoncentrationen.

Følgende figur viser ladningstætheden omkring et oxygenmolekyle i en organisk halvleder. De røde områder repræsenterer områder med høj elektrontæthed, mens de blå områder repræsenterer områder med lav elektrontæthed. Som det ses, danner elektronerne en sky omkring iltmolekylet. Denne sky af elektroner forhindrer iltmolekylet i at fange ladningsbærere.

[Billede af ladningstætheden omkring et oxygenmolekyle i en organisk halvleder]

Screeningseffekten af ​​elektroner mod oxygen-inducerede ladningsfælder er en vigtig faktor ved bestemmelse af organiske halvlederes ledningsevne. Ved at forstå denne effekt kan vi udvikle strategier til forbedring af organiske halvlederes ledningsevne. Dette kan føre til udvikling af mere effektive organiske solceller,