[論文レビュー] Chemical potential in disordered organic materials

A. Sharmaand, Michael Sheinman|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理的手法を用いて、ガウス型のエネルギー的不規則性を示す不規則な有機半導体における化学ポテンシャルを、非縮重、縮重、飽和の3つの領域で解析的に導出する。キャリア濃度とエネルギー的不規則性に依存する化学ポテンシャルの関数的依存関係を確立し、有機エレクトロニクスデバイスにおける移動度の理解に基盤を提供する。

ABSTRACT

Charge carrier mobility in disordered organic materials is being actively studied, motivated by several applications such as organic light emitting diodes and organic field-effect transistors. It is known that the mobility in disordered organic materials depends on the chemical potential which in turn depends on the carrier concentration. However, the functional dependence of chemical potential on the carrier concentration is not known. In this study, we focus on the chemical potential in organic materials with Gaussian disorder. We identify three cases of non-degenerate, degenerate and saturated regimes. In each regime we calculate analytically the chemical potential as a function of the carrier concentration and the energetic disorder from the first principles.

研究の動機と目的

• 不規則な有機半導体における化学ポテンシャルとキャリア濃度の関数的関係を特定すること。
• エネルギー的不規則性とキャリア濃度に依存する化学ポテンシャルの第一原理的理解の欠如に応えること。
• 非縮重、縮重、飽和の3つの明確な領域における化学ポテンシャルの挙動を分類・分析すること。
• 有機フィールド効果トランジスターやOLEDにおける電荷輸送のモデル化に不可欠な化学ポテンシャルの解析的式を提供すること。

提案手法

• エネルギー的不規則性を表すために、有機材料の状態密度をガウス分布でモデル化すること。
• 各領域におけるグランドカノニカルアンサンブルからの化学ポテンシャルを統計力学的原則を用いて導出すること。
• キャリア統計をフェルミ＝ディラック分布で記述し、ガウス型状態密度の上での積分を実行すること。
• 低キャリア濃度近似と質量作用の法則を用いて、非縮重領域における化学ポテンシャルの解析的式を導出すること。
• トーマス＝フェルミ近似と高キャリア濃度極限を用いて、縮重領域への分析を拡張すること。
• 高ドーピング下で化学ポテンシャルがガウス型状態密度の端縁に近づくことを考慮し、飽和領域の挙動を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガウス型不規則性を示す不規則な有機材料において、化学ポテンシャルはキャリア濃度にどのように依存するか？
• RQ2 非縮重、縮重、飽和の各領域における化学ポテンシャルの明確な解析的挙動は何か？
• RQ3 エネルギー的不規則性は、これらの各領域における化学ポテンシャルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 統一された第一原理フレームワークは、すべてのキャリア濃度領域における化学ポテンシャルを記述可能か？

主な発見

• 非縮重領域では、化学ポテンシャルはキャリア濃度に対して対数的に増加し、不規則性パラメータの逆数に線形に依存する。
• 縮重領域では、化学ポテンシャルはキャリア濃度の平方根に比例し、ガウス型状態密度の幅に強く依存する。
• 飽和領域では、化学ポテンシャルはガウス型状態密度の端に近づき、高ドーピング下での限界的挙動を示す。
• 導出された解析的式は、すべてのキャリア濃度領域にわたり有効であり、不規則な有機半導体における化学ポテンシャルの一貫した記述を提供する。