[논문 리뷰] Effect of Dynamic Disorder on Charge Transport in Organic Molecules

K. Navamani, K. Senthilkumar|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 16.

Molecular Junctions and Nanostructures참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 BDHTT-BBT와 DCV5T-Me와 같은 유기 반도체에서 진동하는 전하 이동 통합력, 궤도 에너지 및 스택 각도에 기인한 동적 불순도가 전하 이동에 미치는 영향을 조사한다. 트로시 프레임워크 기반 모델을 사용하여, 불순도의 이완 시간을 초과함에 따라 밴드 유사(일관된)에서 비일관된 히핑 이동으로의 전이가 발생하는 것을 밝혀냈다. BDHTT-BBT에서는 높은 이완력과 밀도 유량 속도 덕분에 전자 이동도가 0.36 cm²/V·s에 도달하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유기 반도체에서 동적 불순도가 전하 이동 메커니즘에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 동적 불순도 하에서 일관된(밴드 유사)에서 비일관된(히핑) 이동으로의 전이를 정량화하기 위해.
• 동적 변동과 관련하여 이동도, 전도도, 이완력, 밀도 유량 속도와 같은 전하 이동 매개변수를 평가하기 위해.
• 열 불순도 하에서 트로시의 확산 제한 모델과의 비교를 통해 제안된 모델을 검증하기 위해.
• 유기 반도체에서 전자 이동 효율을 향상시키는 분자 설계 특징을 규명하기 위해.

제안 방법

• BDHTT-BBT와 DCV5T-Me에서 전하 이동 통합력, 궤도 에너지 및 스택 각도의 시간에 따라 변하는 변동을 통해 동적 불순도를 모델링함.
• 시간 평균 및 변동하는 매개변수를 사용하여 일관된 및 비일관된 비율 계수를 계산함.
• 동적 불순도 효과에 기반한 이완력, 밀도 유량 속도 및 잠재적 평형 속도의 표현을 유도함.
• 유도된 비율 계수와 이동 매개변수를 사용하여 히핑 전도도와 전자 이동도를 계산함.
• 밀도 유량과 이완력이 동적 불순도에 따라 어떻게 변화하는지 검증하기 위해 트로시 모델을 활용하여 확산 제한 이동을 적용함.
• 이론적 기초를 확립하기 위해 광범위한 유도 과정(42–48페이지)을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 이동 통합력, 궤도 에너지 및 스택 각도의 동적 변동이 유기 반도체에서 전하 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 일관된 이동에서 비일관된 이동으로의 전이가 발생하는 시간 척도는 무엇이며, 이 전이의 기준은 무엇인가?
• RQ3 이완력은 밀도 유량 속도와 어떻게 관련되어 있으며, 전하 이동 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 계산된 이동도 및 전도도 값이 BDHTT-BBT와 DCV5T-Me에 대해 실험적 기대치와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 제안된 모델이 동적 불순도 하에서 트로시 모델이 예측한 확산 제한 거동을 재현하는가?

주요 결과

• 불순도의 이완 시간 이하에서는 전하 감쇠가 지수적이고 비산란적임을 나타내며, 이는 밴드 유사 이동 행동을 의미한다.
• 불순도의 이완 시간을 초과하면 전하 감쇠는 산란적이고 비지수적 형태를 띠며, 이는 비일관된 히핑 이동으로의 전이를 시사한다.
• BDHTT-BBT의 전자 히핑 전도도는 0.8 S/cm이며, DCV5T-Me는 0.18 S/cm로, BDHTT-BBT가 더 뛰어난 이동 특성을 보였다.
• BDHTT-BBT에서는 높은 이완력(1.44×10⁻¹² N)과 밀도 유량 속도(1.7×10²⁰ C/m³·s) 덕분에 전자 이동도가 0.36 cm²/V·s에 도달하였다.
• 밀도 유량 속도는 이완력에 직접 비례하며, 이는 모델이 열 불순도 제한 확산에 대해 트로시 프레임워크와 일관됨을 확인한다.
• 이론적 유도 결과는 동적 불순도가 이동을 크게 조절하며, 명확한 시간 척도에서 일관된 이동에서 비일관된 이동으로의 전이가 발생함을 확인한다.