[論文レビュー] Effect of Dynamic Disorder on Charge Transport in Organic Molecules

K. Navamani, K. Senthilkumar|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、揺動する電荷移動積分、サイトエネルギー、スタッキング角に起因する動的不純度が、BDHTT-BBTおよびDCV5T-Meなどの有機半導体における電荷輸送に与える影響を調査する。トローシのフレームワークに基づくモデルを用い、不純度の駆動時間を超えるとバンド状（コherent）から非コherentなホッピング輸送へと遷移することを明らかにした。BDHTT-BBTでは、高い駆動力と密度フラックスレートのおかげで、電子移動度が0.36 cm²/V·sに達した。

ABSTRACT

The charge transfer integral, site energy and the stacking angle fluctuations are used to study the hole and electron transport in recently synthesized dialkyl substituted thienothiophene caped benzobisthiazole (BDHTT-BBT) and methyl-substituted dicyanovinyl-capped quinquethiophene (DCV5T-Me) molecules. The charge transfer parameters, such as coherent and incoherent rate coefficients, hopping conductivity, mobility, disorder drift time, drift force, potential equilibrium rate and density flux rate are calculated and discussed. It has been observed that the charge decay up to the crossover point (or disorder drift time) is exponential, non-dispersive and charge transport follows the band-like transport. Beyond the disorder drift time, the charge decay is not fully exponential, dispersive and it follows the incoherent hopping transport. The proposed expressions for density flux and diffusion shows their dependency on dynamic disorder and is in agreement with the Troisi model on diffusion limited by thermal disorder. The density flux rate is directly related with the drift force which facilitates the charge transfer. Calculated electron hopping conductivity in the BDHTT-BBT and DCV5T-Me is 0.8 and 0.18 S/cm, respectively. Molecule BDHTT-BBT has good electron mobility of 0.36 cm^2/V s, which has larger electron density flux rate and drift force of 1.7 x10^20 C/m^3 s and 1.44x10^-12 N.

研究の動機と目的

• 動的不純度が有機半導体における電荷輸送メカニズムに与える影響を理解すること。
• 動的不純度下でのコherent（バンド状）から非コherent（ホッピング）輸送への遷移を定量化すること。
• 動的フラクチュエーションと関連して、移動度、電導度、駆動力、密度フラックスレートなどの電荷輸送パラメータを評価すること。
• 熱的不純度下でのトローシの拡散制限モデルと比較して、提案モデルの妥当性を検証すること。
• 有機半導体における電子輸送効率を向上させる分子設計要因を同定すること。

提案手法

• BDHTT-BBTおよびDCV5T-Meにおける電荷移動積分、サイトエネルギー、スタッキング角の時間依存的フラクチュエーションを用いて動的不純度をモデル化する。
• 時間平均値および変動パラメータを用いて、コherentおよび非コherentな反応速度定数を計算する。
• 動的不純度の影響に基づき、駆動力、密度フラックスレート、平衡状態レートの式を導出する。
• 導出された速度定数および輸送パラメータを用いて、ホッピング電導度および電子移動度を計算する。
• 密度フラックスおよび駆動力が動的不純度に依存するかを検証するため、トローシの拡散制限輸送モデルを適用する。
• 理論的基盤を確立するため、広範な導出作業（42–48ページ）を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷移動積分、サイトエネルギー、スタッキング角の動的フラクチュエーションは、有機半導体における電荷輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ2 コherentから非コherentな輸送への遷移はどの時間スケールで発生し、その遷移を決定づける要因は何か？
• RQ3 駆動力は密度フラックスレートとどのように関係し、電荷輸送の強化に果たす役割は何か？
• RQ4 計算された移動度および電導度の値は、BDHTT-BBTおよびDCV5T-Meについて実験的期待値とどの程度整合するか？
• RQ5 提案モデルは、動的不純度下でトローシモデルが予測する拡散制限挙動を再現できるか？

主な発見

• 不純度駆動時間まで、電荷の減衰は指数的かつ非分散的であり、バンド状輸送行動を示している。
• 不純度駆動時間を超えると、電荷の減衰は分散的かつ非指数的となり、非コherentなホッピング輸送への遷移を示している。
• BDHTT-BBTの電子ホッピング電導度は0.8 S/cm、DCV5T-Meは0.18 S/cmであり、BDHTT-BBTが優れた輸送特性を示している。
• BDHTT-BBTでは、高い駆動力（1.44×10⁻¹² N）と密度フラックスレート（1.7×10²⁰ C/m³·s）のおかげで、電子移動度が0.36 cm²/V·sに達した。
• 密度フラックスレートは駆動力に比例しており、熱的不純度制限拡散におけるトローシフレームワークとの一貫性を確認した。
• 理論的導出により、動的不純度が輸送を顕著に変調することが確認され、明確に定義された時間スケールでコherentから非コherentな輸送へと遷移することが示された。