[論文レビュー] Wide energy-window view on the density of states and hole mobility of poly(p-phenylene vinylene)

Iulian N. Hulea, H. B. Brom+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2004

Electrochemical Analysis and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電気化学的ゲート付きトランジスタ（EGT）を用いて、広いエネルギー範囲でポリ(p-フェニレンビニレン)（PPV）のドーピングを逆転可能に制御し、状態密度（DOS）のコア部がガウス型（σ ≈ 0.19 eV）であり、低エネルギー尾部が複雑で非ガウス的であることを明らかにした。ホール移動度は、DOSを通過するに従い4桁以上増加し、10⁻¹⁰から10⁻⁶ m²/Vsに達する。最大移動度は、既存の報告値を40倍上回る。

ABSTRACT

Using an electrochemically gated transistor, we achieved controlled and reversible doping of poly(p-phenylene vinylene) in a large concentration range. Our data open a wide energy-window view on the density of states (DOS) and show, for the first time, that the core of the DOS function is Gaussian, while the low-energy tail has a more complex structure. The hole mobility increases by more than four orders of magnitude when the electrochemical potential is scanned through the DOS.

研究の動機と目的

• 広いドーピングレベル範囲において、ポリ(p-フェニレンビニレン)（PPV）のエネルギー依存状態密度（DOS）を実験的に決定すること。
• PPVにおけるDOSの形状がガウス型か指数関数型かという長年の曖昧さを解消すること。
• 電気化学的ポテンシャルおよびドーピング濃度の関数として、PPVにおける固有のホール移動度を測定すること。
• 電気化学的ゲートを用いてDOSおよび移動度のエネルギースケールをキャリブレーションし、電子構造モデルとの直接比較を可能にすること。
• 電気化学的ゲート付きトランジスタ（EGT）が、不規則な共役ポリマーにおける輸送特性を調べる際に、化学的ドーピングや固体状態FETに比べ優れていることを示すこと。

提案手法

• 電解質とポテンショスタットを介して、電気化学的ポテンシャル（μ̃ₑ）を高精度に制御できる、PPV膜をアクティブ層とする電気化学的ゲート付きトランジスタ（EGT）を用いた。
• サイクリックボルタンメトリーおよび微分電荷測定（ΔQ/Δμ̃ₑ）を用いて、約0.02から0.30のホール/モノマーの範囲で4桁のスケールにわたるドーピングレベル（c）を決定した。
• 小電圧の直流バイアス下で2点接触配置を用いて電導度（σ）を測定し、厚さおよび接触抵抗の影響を補正した。
• σ = N pₜ e μ からホール移動度（μ）を計算した。ここで、pₜは電気化学的ポテンシャルに近いkBTの範囲内で輸送に寄与するホール数/モノマーである。
• DOSにガウス型コア部と指数関数的尾部をフィットし、低エネルギー尾部は2番目のガウス型成分としてモデル化した。
• Tanaseらの固体状態FETおよびLEDデータとEGTから得た移動度を比較し、整合性を検証するとともに、界面効果およびイオン局在化に起因する乖離を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広いドーピング範囲において、PPVの真のエネルギー依存状態密度（DOS）の形状は何か？
• RQ2 PPVにおけるホール移動度は、電気化学的ポテンシャルおよびドーピング濃度にどのように依存するか？
• RQ3 電気化学的ゲートは、化学的ドーピングや固体状態FETに比べ、輸送特性の測定においてより正確で逆転可能なプローブを提供できるか？
• RQ4 PPVにおけるDOSコアの固有幅は何か？ また、移動度モデルから導かれる値と比較するとどうなるか？
• RQ5 EGTにおけるイオン誘発局在化および界面効果が、固体状態FETと比較して移動度をどの程度抑制するか？

主な発見

• PPVのDOSコアは、幅0.19 eVのガウス分布でよく記述され、材料の固有の不規則性の上限を示している。
• DOSの低エネルギー尾部は複雑で非ガウス的であり、尾部では指数関数的減衰が観察され、最低ドーピングレベルでは2番目のガウス型成分が存在する。
• 電気化学的ポテンシャルを -5.3 eV から -5.6 eV にスキャンするに従い、ホール移動度は10⁻¹⁰ m²/Vsから2×10⁻⁶ m²/Vsに4桁以上増加した。これは、0.02から0.30ホール/モノマーのドーピング範囲に対応する。
• 測定された最大移動度2×10⁻⁶ m²/Vsは、以前の報告値を40倍上回っており、過去の測定が接触抵抗やイオン誘発局在化の制限によって制限されていた可能性を示唆している。
• EGT法により、1 eVのエネルギー範囲で逆転可能かつ制御可能なドーピングが可能であり、化学的ドーピングや標準FETに比べてはるかに広い範囲をカバーできる。
• EGTと固体状態FETの移動度データの乖離は、EGTにおけるイオン誘発ホール局在化および界面効果に起因するとされ、一方で固体状態FETは界面付近の構造的秩序が高いため、利点を享受している。