In questo lavoro, utilizziamo una combinazione di tecniche sperimentali e calcoli teorici per studiare il modo in cui gli elettroni schermano le trappole di carica indotte dall'ossigeno nei semiconduttori organici. Mostriamo che gli elettroni possono formare una nuvola attorno alle molecole di ossigeno, che impedisce loro di intrappolare i portatori di carica. Questo effetto schermante è più forte nei materiali con elevata mobilità elettronica e può essere migliorato aumentando la concentrazione del drogante.
I nostri risultati forniscono nuove informazioni sulla fisica del trasporto di carica nei semiconduttori organici e suggeriscono strategie per migliorare la conduttività di questi materiali. Ciò potrebbe portare allo sviluppo di celle solari organiche, diodi emettitori di luce e altri dispositivi optoelettronici più efficienti.
Introduzione
I semiconduttori organici sono una classe di materiali che hanno proprietà elettriche simili a quelle dei semiconduttori inorganici, ma sono composti da molecole organiche anziché da atomi. Ciò li rende molto più versatili dei semiconduttori inorganici e possono essere trasformati in film sottili utilizzando tecniche basate su soluzioni. Ciò li rende ideali per l'uso in una varietà di applicazioni, come celle solari, diodi emettitori di luce e transistor.
Tuttavia, le prestazioni dei semiconduttori organici sono spesso limitate dalla presenza di impurità e difetti. Questi possono intrappolare i portatori di carica, riducendo la conduttività del materiale. Uno dei più comuni distruttori di conduttività nei semiconduttori organici è l'ossigeno, che può facilmente diffondersi nel materiale e formare trappole di carica.
In questo lavoro, utilizziamo una combinazione di tecniche sperimentali e calcoli teorici per studiare il modo in cui gli elettroni schermano le trappole di carica indotte dall'ossigeno nei semiconduttori organici. Mostriamo che gli elettroni possono formare una nuvola attorno alle molecole di ossigeno, che impedisce loro di intrappolare i portatori di carica. Questo effetto schermante è più forte nei materiali con elevata mobilità elettronica e può essere migliorato aumentando la concentrazione del drogante.
Tecniche sperimentali
Abbiamo utilizzato una varietà di tecniche sperimentali per studiare lo screening delle trappole di carica indotte dall'ossigeno nei semiconduttori organici. Queste tecniche includevano:
* Spettroscopia di fotoluminescenza (PL): La spettroscopia PL può essere utilizzata per misurare l'emissione di luce da un materiale semiconduttore. L'intensità dell'emissione PL è proporzionale al numero di portatori di carica liberi nel materiale. Pertanto, la spettroscopia PL può essere utilizzata per studiare come l'ossigeno influisce sul numero di portatori di carica liberi in un semiconduttore organico.
* Profilatura capacità-tensione (C-V): La profilazione CV può essere utilizzata per misurare le proprietà elettriche di un materiale semiconduttore. La capacità di un materiale semiconduttore è proporzionale al numero di portatori di carica liberi nel materiale. Pertanto, la profilazione CV può essere utilizzata per studiare in che modo l'ossigeno influisce sul numero di portatori di carica liberi in un semiconduttore organico.
* Misurazioni della mobilità: Le misurazioni della mobilità possono essere utilizzate per misurare la velocità di deriva dei portatori di carica in un materiale semiconduttore. La mobilità dei portatori di carica è proporzionale al numero di portatori di carica gratuiti nel materiale. Pertanto, le misurazioni della mobilità possono essere utilizzate per studiare in che modo l'ossigeno influisce sul numero di portatori di carica liberi in un semiconduttore organico.
Calcoli teorici
Abbiamo anche eseguito calcoli teorici per studiare lo screening delle trappole di carica indotte dall'ossigeno nei semiconduttori organici. Questi calcoli erano basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT). DFT è un metodo computazionale che può essere utilizzato per calcolare la struttura elettronica dei materiali. Abbiamo utilizzato DFT per calcolare i livelli energetici delle molecole di ossigeno in un semiconduttore organico. Abbiamo anche calcolato la densità di carica attorno alle molecole di ossigeno. Questi calcoli ci hanno permesso di comprendere come gli elettroni schermano le trappole di carica indotte dall’ossigeno.
Risultati e discussione
I nostri risultati sperimentali e teorici mostrano che gli elettroni possono formare una nuvola attorno alle molecole di ossigeno in un semiconduttore organico. Questa nuvola di elettroni impedisce alle molecole di ossigeno di intrappolare i portatori di carica. Questo effetto schermante è più forte nei materiali con elevata mobilità elettronica e può essere migliorato aumentando la concentrazione del drogante.
La figura seguente mostra la densità di carica attorno a una molecola di ossigeno in un semiconduttore organico. Le regioni rosse rappresentano aree ad alta densità elettronica, mentre le regioni blu rappresentano aree a bassa densità elettronica. Come si può vedere, gli elettroni formano una nuvola attorno alla molecola di ossigeno. Questa nuvola di elettroni impedisce alla molecola di ossigeno di intrappolare i portatori di carica.
[Immagine della densità di carica attorno a una molecola di ossigeno in un semiconduttore organico]
L'effetto schermante degli elettroni contro le trappole di carica indotte dall'ossigeno è un fattore importante nel determinare la conduttività dei semiconduttori organici. Comprendendo questo effetto, possiamo sviluppare strategie per migliorare la conduttività dei semiconduttori organici. Ciò potrebbe portare allo sviluppo di celle solari organiche più efficienti,
