[論文レビュー] Model of the thermoelectric properties of anisotropic organic semiconductors

S. Ihnatsenka|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2021

Organic Electronics and Photovoltaics参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、異方性有機半導体における電荷ホッピングモデルを提案し、局在状態の異方性および長距離クーロン相互作用を組み込む。導電率の異方性は状態の配向に起因するが、Seebeck係数の異方性は、配向方向にクーロンスクリーニングが強い場合にのみ現れる。これは、長年の実験的熱電データにおける矛盾を解消するものである。

ABSTRACT

A model of charge hopping transport that accounts for anisotropy of localized states and Coulomb interaction between charges is proposed. For the anisotropic localized states the degree of orientation relates exponentially to the ratio of conductivities in parallel and perpendicular directions, while the ratio of Seebeck coefficients stays nearly unaffected. However, the ratio of Seebeck coefficients increases if Coulomb interaction is screened stronger in a direction parallel to the predominant orientation of the localized states. This implies two different physical mechanisms responsible for the anisotropy of thermoelectric properties in the hopping regime: electronic state localization for conductivities, and screening for Seebeck coefficients. This provides explanation for recent experimental findings on tensile drawn and ribbed polymer films.

研究の動機と目的

• 整列したポリマー膜における高い導電率の異方性と弱いSeebeck係数の異方性の間にある実験的観察の不一致を解消すること。
• 不規則な有機半導体における電子状態の異方性と長距離クーロン相互作用の両方を考慮する理論的モデルの構築。
• 最近の実験で大きなσ∥/σ⊥が観測される一方で、S∥/S⊥は僅かであるという事実を、従来のモデルとは対照的に説明すること。
• ホッピング輸送において、導電率とSeebeck係数の異方性を支配する物理的メカニズムの違いを明確にすること。

提案手法

• 整列したポリマー鎖を表す空間的に異方性のある局在状態を有する電荷ホッピング輸送モデルを構築する。
• スクリーニングされたクーロンポテンシャルを用いて、電荷間の長距離クーロン相互作用を組み込むことで、電子相関効果をモデル化する。
• 不規則な有機半導体における実験的観察をよりよく反映するため、指数関数的密度状態（DOS）の代わりにガウス型DOSを用いる。
• 配向度およびスクリーニング度合いの変化に応じて、平行方向および垂直方向における輸送特性（σ、S）を解き、評価する。
• 3次元系における可変範囲ホッピング（VRH）と近接最近傍ホッピング（NNH）の間の遷移を分析する。
• クーロン相互作用の有無を比較することで、Seebeck異方性に及ぼすその役割を隔離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜσ∥/σ⊥は配向度の増加に伴い指数関数的に増加するが、S∥/S⊥はほぼ一定のまま保たれるのか？
• RQ2 非相互作用モデルでは予測されるS∥/S⊥が1.1～1.4にとどまるのに対し、実験ではS∥/S⊥が約7に達している現象を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 長距離クーロン相互作用は、異方性有機半導体におけるSeebeck係数の異方性にどのように影響するか？
• RQ4 本モデルは、大きな実験的導電率異方性と、やや弱いSeebeck係数異方性を同時に説明できるか？
• RQ5 クーロン相互作用のスクリーニングが、方向依存の熱電応答を決定づける役割を果たすのか？

主な発見

• σ∥/σ⊥は、局在状態の配向度の増加に伴い指数関数的に増加し、実験的観察と整合的である。
• 状態の異方性のみを考慮した場合、S∥/S⊥はほとんど変化せず、非相互作用モデルにおける弱いSeebeck異方性の理由を説明できる。
• クーロンスクリーニングが局在状態の主な配向方向に強い場合、S∥/S⊥は顕著に増加する。
• 本モデルは、室温において両方向で可変範囲ホッピング（VRH）と近接最近傍ホッピング（NNH）の間の遷移領域に輸送が存在すると予測する。
• 電流は主に分子配向方向に流れることから、配向が輸送をガイドする役割を果たしていることが確認された。
• 長距離クーロン相互作用の取り入れが、特に有機半導体のような誘電率が低い系において、正しい物理を捉えるために不可欠である。