Organische halfgeleiders zijn veelbelovende materialen voor opto-elektronische toepassingen vanwege hun unieke eigenschappen, zoals lage kosten, verwerkbaarheid van oplossingen en mechanische flexibiliteit. Hun prestaties worden echter vaak beperkt door de aanwezigheid van onzuiverheden en defecten, die ladingsdragers kunnen vasthouden en de geleidbaarheid kunnen verminderen. Een van de meest voorkomende geleidingsdoders in organische halfgeleiders is zuurstof, die gemakkelijk in het materiaal kan diffunderen en ladingsvallen kan vormen.

In dit werk gebruiken we een combinatie van experimentele technieken en theoretische berekeningen om te onderzoeken hoe elektronen zich beschermen tegen door zuurstof geïnduceerde ladingsvallen in organische halfgeleiders. We laten zien dat elektronen een wolk rond zuurstofmoleculen kunnen vormen, waardoor ze geen ladingsdragers kunnen vasthouden. Dit screeningseffect is sterker in materialen met een hoge elektronenmobiliteit en kan worden versterkt door de doteringsconcentratie te verhogen.

Onze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de fysica van ladingstransport in organische halfgeleiders en suggereren strategieën om de geleidbaarheid van deze materialen te verbeteren. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere organische zonnecellen, lichtgevende diodes en andere opto-elektronische apparaten.

Introductie

Organische halfgeleiders zijn een klasse materialen met elektrische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van anorganische halfgeleiders, maar ze zijn samengesteld uit organische moleculen in plaats van atomen. Dit maakt ze veel veelzijdiger dan anorganische halfgeleiders, en ze kunnen met behulp van oplossingsgerichte technieken tot dunne films worden verwerkt. Dit maakt ze ideaal voor gebruik in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals zonnecellen, lichtgevende diodes en transistors.

De prestaties van organische halfgeleiders worden echter vaak beperkt door de aanwezigheid van onzuiverheden en defecten. Deze kunnen ladingsdragers vasthouden, waardoor de geleidbaarheid van het materiaal afneemt. Een van de meest voorkomende geleidingsdoders in organische halfgeleiders is zuurstof, die gemakkelijk in het materiaal kan diffunderen en ladingsvallen kan vormen.

In dit werk gebruiken we een combinatie van experimentele technieken en theoretische berekeningen om te onderzoeken hoe elektronen zich beschermen tegen door zuurstof geïnduceerde ladingsvallen in organische halfgeleiders. We laten zien dat elektronen een wolk rond zuurstofmoleculen kunnen vormen, waardoor ze geen ladingsdragers kunnen vasthouden. Dit screeningseffect is sterker in materialen met een hoge elektronenmobiliteit en kan worden versterkt door de doteringsconcentratie te verhogen.

Experimentele technieken

We hebben een verscheidenheid aan experimentele technieken gebruikt om de screening van door zuurstof geïnduceerde ladingsvallen in organische halfgeleiders te onderzoeken. Deze technieken omvatten:

* Fotoluminescentie (PL) spectroscopie: PL-spectroscopie kan worden gebruikt om de emissie van licht uit een halfgeleidermateriaal te meten. De intensiteit van de PL-emissie is evenredig met het aantal vrije ladingsdragers in het materiaal. Daarom kan PL-spectroscopie worden gebruikt om te onderzoeken hoe zuurstof het aantal vrije ladingsdragers in een organische halfgeleider beïnvloedt.

* Capacitieve spanning (C-V) profilering: CV-profilering kan worden gebruikt om de elektrische eigenschappen van een halfgeleidermateriaal te meten. De capaciteit van een halfgeleidermateriaal is evenredig met het aantal vrije ladingsdragers in het materiaal. Daarom kan CV-profilering worden gebruikt om te onderzoeken hoe zuurstof het aantal vrije ladingsdragers in een organische halfgeleider beïnvloedt.

* Mobiliteitsmetingen: Mobiliteitsmetingen kunnen worden gebruikt om de driftsnelheid van ladingsdragers in een halfgeleidermateriaal te meten. De mobiliteit van ladingsdragers is evenredig met het aantal vrije ladingsdragers in het materiaal. Daarom kunnen mobiliteitsmetingen worden gebruikt om te onderzoeken hoe zuurstof het aantal vrije ladingsdragers in een organische halfgeleider beïnvloedt.

Theoretische berekeningen

We hebben ook theoretische berekeningen uitgevoerd om de screening van door zuurstof geïnduceerde ladingsvallen in organische halfgeleiders te onderzoeken. Deze berekeningen waren gebaseerd op de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). DFT is een computationele methode die kan worden gebruikt om de elektronische structuur van materialen te berekenen. We gebruikten DFT om de energieniveaus van zuurstofmoleculen in een organische halfgeleider te berekenen. We berekenden ook de ladingsdichtheid rond zuurstofmoleculen. Deze berekeningen hebben ons in staat gesteld te begrijpen hoe elektronen zich beschermen tegen door zuurstof geïnduceerde ladingsvallen.

Resultaten en discussie

Onze experimentele en theoretische resultaten laten zien dat elektronen een wolk kunnen vormen rond zuurstofmoleculen in een organische halfgeleider. Deze wolk van elektronen voorkomt dat de zuurstofmoleculen ladingsdragers vasthouden. Dit screeningseffect is sterker in materialen met een hoge elektronenmobiliteit en kan worden versterkt door de doteringsconcentratie te verhogen.

De volgende afbeelding toont de ladingsdichtheid rond een zuurstofmolecuul in een organische halfgeleider. De rode gebieden vertegenwoordigen gebieden met een hoge elektronendichtheid, terwijl de blauwe gebieden gebieden met een lage elektronendichtheid vertegenwoordigen. Zoals je kunt zien, vormen de elektronen een wolk rond het zuurstofmolecuul. Deze wolk van elektronen voorkomt dat het zuurstofmolecuul ladingsdragers vasthoudt.

[Afbeelding van de ladingsdichtheid rond een zuurstofmolecuul in een organische halfgeleider]

Het afschermende effect van elektronen tegen door zuurstof geïnduceerde ladingsvallen is een belangrijke factor bij het bepalen van de geleidbaarheid van organische halfgeleiders. Door dit effect te begrijpen, kunnen we strategieën ontwikkelen om de geleidbaarheid van organische halfgeleiders te verbeteren. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van efficiëntere organische zonnecellen,