この作業では、実験的手法と理論計算の組み合わせを使用して、有機半導体の酸素誘導電荷トラップに対する電子がどのようにスクリーニングするかを調査します。電子は、酸素分子の周りに雲を形成し、電荷キャリアを閉じ込めるのを防ぐことができることを示します。このスクリーニング効果は、電子移動度が高い材料でより強く、ドーピング濃度を増加させることで強化できます。
私たちの調査結果は、有機半導体における電荷輸送の物理学に関する新しい洞察を提供し、これらの材料の導電率を改善するための戦略を示唆しています。これにより、より効率的な有機太陽電池、光発光ダイオード、およびその他の光電子デバイスの開発につながる可能性があります。
はじめに
有機半導体は、無機半導体と同様の電気特性を持つ材料のクラスですが、原子ではなく有機分子で構成されています。これにより、無機半導体よりもはるかに汎用性が高くなり、ソリューションベースの技術を使用して薄膜に処理できます。これにより、太陽電池、発光ダイオード、トランジスタなど、さまざまな用途での使用に最適です。
ただし、有機半導体の性能は、不純物や欠陥の存在によってしばしば制限されます。これらは電荷キャリアをトラップすることができ、材料の導電率を低下させます。有機半導体の最も一般的な導電率キラーの1つは酸素であり、材料に簡単に拡散し、電荷トラップを形成できます。
この作業では、実験的手法と理論計算の組み合わせを使用して、有機半導体の酸素誘導電荷トラップに対する電子がどのようにスクリーニングするかを調査します。電子は、酸素分子の周りに雲を形成し、電荷キャリアを閉じ込めるのを防ぐことができることを示します。このスクリーニング効果は、電子移動度が高い材料でより強く、ドーピング濃度を増加させることで強化できます。
実験技術
さまざまな実験技術を使用して、有機半導体の酸素誘発電荷トラップのスクリーニングを調査しました。これらの手法には以下が含まれます。
* Photoluminescence（PL）分光法： PL分光法を使用して、半導体材料からの光の放出を測定できます。 PL排出の強度は、材料内の自由電荷キャリアの数に比例します。したがって、PL分光法を使用して、酸素が有機半導体の自由電荷キャリアの数にどのように影響するかを調査できます。
* 静電容量 - 電圧（C-V）プロファイリング： C-Vプロファイリングは、半導体材料の電気特性を測定するために使用できます。半導体材料の静電容量は、材料内の自由電荷キャリアの数に比例します。したがって、C-Vプロファイリングを使用して、酸素が有機半導体の遊離電荷キャリアの数にどのように影響するかを調査できます。
* モビリティ測定： モビリティ測定を使用して、半導体材料の電荷キャリアのドリフト速度を測定できます。充電キャリアの移動度は、材料内の自由充電キャリアの数に比例します。したがって、モビリティ測定を使用して、酸素が有機半導体の自由電荷キャリアの数にどのように影響するかを調査できます。
理論計算
また、有機半導体の酸素誘発電荷トラップのスクリーニングを調査するために理論計算を実施しました。これらの計算は、密度官能理論（DFT）に基づいていました。 DFTは、材料の電子構造を計算するために使用できる計算方法です。 DFTを使用して、有機半導体の酸素分子のエネルギーレベルを計算しました。また、酸素分子の周りの電荷密度も計算しました。これらの計算により、電子が酸素誘発電荷トラップに対してどのようにスクリーニングするかを理解することができました。
結果と議論
私たちの実験的および理論的結果は、有機半導体の酸素分子の周りに電子が雲を形成できることを示しています。この電子の雲は、酸素分子が電荷キャリアを閉じ込めるのを防ぎます。このスクリーニング効果は、電子移動度が高い材料でより強く、ドーピング濃度を増加させることで強化できます。
次の図は、有機半導体の酸素分子の周りの電荷密度を示しています。赤い領域は高い電子密度の領域を表し、青い領域は低い電子密度の領域を表します。ご覧のとおり、電子は酸素分子の周りに雲を形成します。この電子の雲は、酸素分子が電荷キャリアをトラップするのを防ぎます。
[有機半導体の酸素分子の周りの電荷密度の画像]
酸素誘発電荷トラップに対する電子のスクリーニング効果は、有機半導体の導電率を決定する重要な要因です。この効果を理解することにより、有機半導体の導電率を改善するための戦略を開発できます。これにより、より効率的な有機太陽電池の開発につながる可能性があります。
