Organische halfgeleiders, een klasse van op koolstof gebaseerde materialen met optische en elektronische eigenschappen, worden nu vaak gebruikt om een ​​verscheidenheid aan apparaten te fabriceren, inclusief zonnecellen, lichtgevende dioden en veldeffecttransistoren. Deze halfgeleidende materialen kunnen een kenmerk vertonen dat bekend staat als zeer unipolair ladingstransport, wat in wezen betekent dat ze voornamelijk elektronen of gaten geleiden. Dit kan enigszins problematisch zijn, omdat het hun efficiëntie en prestaties belemmert.

Onderzoekers van het Max Planck Institute for Polymer Research hebben onlangs een energievenster geïdentificeerd waarbinnen organische halfgeleiders geen ladingsvangst ervaren. Zoals uitgelegd in hun paper, gepubliceerd in Natuurmaterialen , dit venster maakt een traploos ladingtransport van beide dragers mogelijk.

"In 2012 hebben we het invangen van elektronen in geconjugeerde polymeren onderzocht en we ontdekten dat het verlagen van de energieniveaus waarop elektronentransport plaatsvindt (d.w.z. LUMO) de hoeveelheid elektronenvangen zou kunnen verminderen, "Gert-Jan Wetzelaer, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde TechXplore. "Vorig jaar, we hebben een strategie ontwikkeld om de elektroden in organische halfgeleiderapparaten te verbeteren, waardoor we organische halfgeleiders met een zeer groot bereik aan energieniveaus konden onderzoeken. In onze nieuwe studie we waren geïnteresseerd in hoe de positie van deze energieniveaus het transport van zowel elektronen als gaten zou beïnvloeden, zelfs voor zeer diepe energieniveaus, die voorheen niet kon worden onderzocht."

Om te onderzoeken hoe de positie van energieniveaus het vermogen van een halfgeleider om zowel elektronen als gaten te transporteren kan beïnvloeden, Wetzelaer en zijn collega's maten elektronen- en gatenstromen in verschillende organische halfgeleiders. In hun eerdere werk ze merkten op dat de mate waarin deze stroom afhangt van de spanning die over een halfgeleidende film wordt aangelegd, kan worden gebruikt als een maat voor de hoeveelheid ladingsvangst.

Toen de onderzoekers de stroom meten die door een groot aantal organische halfgeleiders met verschillende energieniveaus gaat, ze ontdekten dat de energieniveaus van individuele materialen van invloed waren op het al dan niet beperken van de stroom door ladingsvangst. Na het uitvoeren van een reeks experimenten en het verzamelen van talrijke waarnemingen, ze waren in staat om een ​​venster te identificeren waarin organische halfgeleiders traploos ladingstransport kunnen bereiken.

Specifieker, ze merkten op dat wanneer de ionisatie-energie van een materiaal boven 6 eV stijgt, het invangen van gaten treedt op en dus zal het niet langer in staat zijn om gaten efficiënt te geleiden. Anderzijds, wanneer de elektronenaffiniteit van een materiaal lager is dan 3,6 eV, het zal elektronen niet efficiënt kunnen transporteren. Om zowel elektronen als gaten effectief te geleiden, daarom, de energieniveaus van een materiaal voor ionisatie en elektronenaffiniteit moeten binnen dit specifieke venster vallen.

"Onze resultaten impliceren dat voor optimale prestaties, de energieniveaus van de organische halfgeleiders die in apparaten worden gebruikt, zoals OLED's en organische zonnecellen, zou ideaal gelegen moeten zijn binnen het ontdekte energievenster, " zei Wetzelaer. "Binnen dit energievenster, de geleiding van ladingsdragers zal efficiënt zijn, wat belangrijk is voor het omzetten van elektriciteit in licht en vice versa."

De studie uitgevoerd door Wetzelear en zijn collega's introduceert een algemene ontwerpregel voor organische halfgeleiders die kunnen worden gebruikt voor de fabricage van OLED's, zonnecellen en veldeffecttransistoren. Deze 'algemene regel' specificeert wenselijke energieniveaus voor het bereiken van een hogere efficiëntie en geleidbaarheid in apparaten die met deze materialen zijn gebouwd.

"We zijn er onlangs in geslaagd om een ​​zeer efficiënte OLED te maken op basis van deze ontwerpregels, met een veel minder complexe apparaatarchitectuur dan normaal gebruikt, " voegde Wetzelaer toe.

Wetzelaer en zijn collega's voerden een reeks simulaties uit en verzamelden verdere interessante resultaten, wat suggereert dat waterclusters de bron kunnen zijn van het vangen van gaten. Deze belangrijke observatie zou kunnen helpen bij het bedenken van strategieën om ladingsvallen uit halfgeleidende films te verwijderen.

In de toekomst, het door dit team van onderzoekers geïdentificeerde energievenster zou de ontwikkeling van efficiëntere op halfgeleiders gebaseerde apparaten kunnen informeren. In aanvulling, hun observaties roepen interessante vragen op met betrekking tot het ontwerp van blauwe OLED's.

"Bij blauwe OLED's, de vereiste energiekloof voor emissie van blauw licht is ongeveer 3,0 eV, die groter is dan het valvrije venster, "Wezelaer zei. "We zijn nu van plan om strategieën te onderzoeken om ladingsvallen in organische halfgeleiders te verwijderen of uit te schakelen. om zeer efficiënte blauwe OLED's te kunnen maken."

© 2019 Wetenschap X Netwerk