I detta arbete använder vi en kombination av experimentella tekniker och teoretiska beräkningar för att undersöka hur elektroner skärmar mot syreinducerade laddningsfällor i organiska halvledare. Vi visar att elektroner kan bilda ett moln runt syremolekyler, vilket hindrar dem från att fånga laddningsbärare. Denna screeningseffekt är starkare i material med hög elektronrörlighet, och den kan förstärkas genom att öka dopningskoncentrationen.
Våra resultat ger nya insikter i laddningstransportens fysik i organiska halvledare och föreslår strategier för att förbättra ledningsförmågan hos dessa material. Detta kan leda till utvecklingen av mer effektiva organiska solceller, lysdioder och andra optoelektroniska enheter.
Introduktion
Organiska halvledare är en klass av material som har elektriska egenskaper som liknar de för oorganiska halvledare, men de är sammansatta av organiska molekyler snarare än atomer. Detta gör dem mycket mer mångsidiga än oorganiska halvledare, och de kan bearbetas till tunna filmer med hjälp av lösningsbaserade tekniker. Detta gör dem idealiska för användning i en mängd olika applikationer, såsom solceller, lysdioder och transistorer.
Men prestandan hos organiska halvledare är ofta begränsad av närvaron av föroreningar och defekter. Dessa kan fånga laddningsbärare, vilket minskar materialets konduktivitet. En av de vanligaste konduktivitetsdödarna i organiska halvledare är syre, som lätt kan diffundera in i materialet och bilda laddningsfällor.
I detta arbete använder vi en kombination av experimentella tekniker och teoretiska beräkningar för att undersöka hur elektroner skärmar mot syreinducerade laddningsfällor i organiska halvledare. Vi visar att elektroner kan bilda ett moln runt syremolekyler, vilket hindrar dem från att fånga laddningsbärare. Denna screeningeffekt är starkare i material med hög elektronrörlighet, och den kan förstärkas genom att öka dopningskoncentrationen.
Experimentella tekniker
Vi använde en mängd olika experimentella tekniker för att undersöka screening av syreinducerade laddningsfällor i organiska halvledare. Dessa tekniker inkluderade:
* Fotoluminescensspektroskopi (PL): PL-spektroskopi kan användas för att mäta emissionen av ljus från ett halvledarmaterial. Intensiteten på PL-emissionen är proportionell mot antalet gratis laddningsbärare i materialet. Därför kan PL-spektroskopi användas för att undersöka hur syre påverkar antalet fria laddningsbärare i en organisk halvledare.
* Kapacitans-spänning (C-V) profilering: C-V-profilering kan användas för att mäta de elektriska egenskaperna hos ett halvledarmaterial. Kapacitansen hos ett halvledarmaterial är proportionell mot antalet fria laddningsbärare i materialet. Därför kan C-V-profilering användas för att undersöka hur syre påverkar antalet fria laddningsbärare i en organisk halvledare.
* Mobilitetsmätningar: Mobilitetsmätningar kan användas för att mäta drifthastigheten för laddningsbärare i ett halvledarmaterial. Laddningsbärarnas rörlighet är proportionell mot antalet gratis laddningsbärare i materialet. Därför kan rörlighetsmätningar användas för att undersöka hur syre påverkar antalet fria laddningsbärare i en organisk halvledare.
Teoretiska beräkningar
Vi utförde också teoretiska beräkningar för att undersöka screening av syreinducerade laddningsfällor i organiska halvledare. Dessa beräkningar baserades på densitetsfunktionella teorin (DFT). DFT är en beräkningsmetod som kan användas för att beräkna den elektroniska strukturen hos material. Vi använde DFT för att beräkna energinivåerna för syremolekyler i en organisk halvledare. Vi beräknade också laddningstätheten runt syremolekyler. Dessa beräkningar gjorde det möjligt för oss att förstå hur elektroner skärmar mot syreinducerade laddningsfällor.
Resultat och diskussion
Våra experimentella och teoretiska resultat visar att elektroner kan bilda ett moln runt syremolekyler i en organisk halvledare. Detta moln av elektroner hindrar syremolekylerna från att fånga laddningsbärare. Denna screeningseffekt är starkare i material med hög elektronrörlighet, och den kan förstärkas genom att öka dopningskoncentrationen.
Följande figur visar laddningstätheten runt en syremolekyl i en organisk halvledare. De röda områdena representerar områden med hög elektrondensitet, medan de blå regionerna representerar områden med låg elektrondensitet. Som man kan se bildar elektronerna ett moln runt syremolekylen. Detta moln av elektroner hindrar syremolekylen från att fånga laddningsbärare.
[Bild av laddningstätheten runt en syremolekyl i en organisk halvledare]
Avskärmningseffekten av elektroner mot syreinducerade laddningsfällor är en viktig faktor för att bestämma konduktiviteten hos organiska halvledare. Genom att förstå denna effekt kan vi utveckla strategier för att förbättra konduktiviteten hos organiska halvledare. Detta kan leda till utvecklingen av mer effektiva organiska solceller,
