有机半导体的物理掺杂理论[1]

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1、第58卷第11期2009年11月物
理
学
报Vol.58,No.11,November,20091000
3290200958(11)7897
07ACTAPHYSICASINICA
2009Chin.Phys.Soc.有机半导体的物理掺杂理论1)2)1)2)
1)1)1)1)1)1)汪润生
孟卫民
彭应全
马朝柱
李荣华
谢宏伟
王
颖
赵
明
袁建挺1)(兰州大学物理科学与技术学院微电子研究所,兰州
730000)2)(兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室,兰州
730000)(2009年1月13日收到;2009年3月11日

2、收到修改稿)

基于最低未被占据分子轨道(LUMO)和最高被占据分子轨道(HOMO)的高斯态密度分布与载流子在允许量子态中的费米
狄拉克(Fermi
Dirac)分布,提出有机半导体中物理掺杂的理论模型;研究了掺杂浓度、温度和禁带宽度对载流子浓度的影响,并与一些报道的实验结果做了比较.研究发现无论是否掺杂,温度升高时,有机半导体中的载流子浓度都会增大,并且随温度倒数的线性减小而指数增大;对于本征有机半导体,载流子浓度随禁带宽度的增大而指数下降,随高斯分布宽度的平方指数增加;对杂质和主体不同能级关系的掺杂情形下掺杂浓度对载流子浓度的影

3、响做了数值研究.关键词:有机半导体,掺杂,高斯态密度,载流子浓度PACC:7280L,7120H,7110system),其中客体分子用来修饰主体分子的发光特[16]1引言性,或者通过Frster型(Frstertype)能量转移完[17]全引入新的能级,在这种情况下,客体并不会改近年来,有机半导体薄膜器件引起了人们极大变主体的氧化还原态,没有主体和客体之间的基态[14][57]的关注,诸如有机发光器件、有机场效应管电荷传输.另一种掺杂是电学掺杂,其中客体分子用[810][18,19]和有机太阳能电池已被人们成功研制出来

4、,这来改进主体的电导性,这种情形下存在一个氧些器件是由一层或多层厚度为几十到几百纳米的本化还原反应,或者主体与客体间有电荷传输.本文中征或掺杂的有机薄膜功能层组成.与无机半导体器讨论的掺杂属于第一种情形,即混合有机分子主客件相比,有机半导体薄膜器件具有工艺简单、造价低体掺杂,而不考虑主客体间可能存在的化学反应或廉等优点.电荷转移.在有机薄膜器件中常常通过掺杂来改善器件的有机半导体中的载流子浓度是一个非常重要的性能和工作效率,例如在有机电致发光器件中掺杂物理量,与半导体的电学性质和半导体器件的性能[11]可以显著提高器件发光量子效率,

5、也可以通过选密切相关.无机半导体中的载流子浓度随半导体材择合适的杂质和掺杂浓度来改变器件的发光颜料的禁带宽度、掺杂浓度及工作温度的变化关系已[12][13]色,还可以提高发光亮度和器件工作稳定性.被人们有了较为深入细致的了解,然而这些理论却文献[14]中报道了一个有趣的现象:在双层有机电不能直接在有机半导体中应用.有机半导体薄膜一致发光器件的两层中分别掺入磷光材料和荧光材般不是规则的晶格结构,而是无定形或多晶结构,晶料,可以得到双发光层的有机电致发光器件,通过调格结构无序化的主要影响是将规则结构中的载流子节发光层厚度及掺杂浓度,就可

6、以得到性能良好的传输能带分裂成一系列局域态,无机半导体中导带白光器件.有机太阳能电池中通过掺杂可以将内量和价带的概念分别被有机半导体中最低未被占据分[15]子效率提高约5个量级.凡此种种说明,研究有子轨道(LUMO)和最高被占据分子轨道(HOMO)的机半导体的掺杂具有重要和实际的意义.概念所取代.电子和空穴的状态密度按能量的分布与无机半导体不同,有机半导体的掺杂分有两一般认为是在HOMO和LUMO附近的高斯分布.基种情形.一种是混合分子主客体系统(host
guest于此对有机半导体中掺杂浓度、温度和禁带宽度对
通讯联系人.E
ma

7、il:yqpeng@lzu.edu.cn7898物

理

学

报58卷载流子浓度的影响做了一系列数值研究,并与一个实验结果作了比较.与本文中所提出的模型相比,Arkhipov等人提[20]出的模型中态密度的分布没有包含杂质与主体材料能级关系的信息;并假定电荷载流子浓度就等于杂质浓度,这样就忽略了温度对载流子浓度的影[21]响.而在YulongShen等人的研究模型中则只是把分子能级分布认为是单一的能级,这在能级和空间位置无序的有机半导体中特别是非晶结构的有机半导体中是不太合理的.2.理论与模型图1
有机半导体中态密度随能量的分布

8、图像(图中HOMO能级为-56eV,LUMO能级为-32eV,L=H==01eV,N0=1026m-3)半导体的导电性强烈地随温度变化,这种变化2N0D(E-EHD)主要是由于半导体中载流子浓度随温度而变化所造+exp-2