[논문 리뷰] The influence of impurities on the charge carrier mobility of small molecule organic semiconductors

Pascal Friederich, Artem Fediai외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 30.

Organic Electronics and Photovoltaics참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다스케일 수치 모델을 사용하여 비정질 소분자 유기 반도체에서 잡질, 특히 수증기와 수소산소 복합체가 전하 운반자 이동도에 미치는 영향을 조사한다. 이는 이러한 잡질이 밴드 갭 내에서 깊은 트랩 상태를 유도하여 전자 및 정공 이동도를 크게 감소시키며, 분자 산소는 널리 사용되는 재료에서 성능을 제한할 정도로 깊은 트랩 상태를 만든다는 것을 드러낸다.

ABSTRACT

Amorphous organic semiconductors based on small molecules and polymers are used in many applications, most prominently organic light emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells. Impurities and charge traps are omnipresent in most currently available organic semiconductors and limit charge transport and thus device efficiency. The microscopic cause as well as the chemical nature of these traps are presently not well understood. Using a multiscale model we characterize the influence of impurities on the density of states and charge transport in small-molecule amorphous organic semiconductors. We use the model to quantitatively describe the influence of water molecules and water-oxygen complexes on the electron and hole mobilities. These species are seen to impact the shape of the density of states and to act as explicit charge traps within the energy gap. Our results show that trap states introduced by molecular oxygen can be deep enough to limit the electron mobility in widely used materials.

연구 동기 및 목표

• 비정질 소분자 유기 반도체에서 잡질에 의해 유도된 전하 트랩의 미세한 기원을 이해하기 위해.
• 수증기 및 수증기-산소 복합체와 같은 일반적인 잡질의 화학적 성질과 전자적 영향을 규명하기 위해.
• 이러한 잡질이 상태 밀도에 어떻게 영향을 미치고 전하 이동성 특성을 악화시키는지 정량화하기 위해.
• 고성능 유기 반도체에서 전자 이동도가 잡질에 의해 특히 제한되는 이유를 설명하기 위해.

제안 방법

• 양자 화학 계산과 운동적 몬테카를로 시뮬레이션을 융합한 다스케일 모델링 접근 방식.
• 잡질 도핑 유기 반도체의 전자 구조를 결정하기 위한 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 비정질 유기 반도체 매트릭스 내 수증기 및 수증기-산소 복합체의 모델링을 통해 에너지적 및 구조적 영향 평가.
• 잡질 존재 시 상태 밀도(DOS) 계산을 통해 트랩 형성 분석.
• 운동적 몬테카를로 방법을 사용한 전하 이동 시뮬레이션을 통해 전자 및 정공 이동도 추출.
• 이동도 및 DOS 형태에 대한 영향을 평가하기 위해 잡질 농도와 종류를 체계적으로 변화시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수증기 분자와 수증기-산소 복합체는 비정질 소분자 유기 반도체의 상태 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 일반적인 유기 반도체에서 분자 산소가 유도하는 트랩 상태의 에너지 깊이는 얼마인가?
• RQ3 왜 이 재료에서 전자 이동도는 정공 이동도보다 잡질에 의해 더 심하게 영향을 받는가?
• RQ4 깊은 트랩 상태를 가진 잡질이 실용적인 유기 반도체 장치에서 전하 이동을 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 잡질의 존재가 비정질 유기 체계에서 전하 운반자의 분포 및 국소화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수증기 분자와 수증기-산소 복합체는 유기 반도체의 밴드 갭 내에서 명백한 전하 트랩으로 작용하여 전자 및 정공 이동도를 감소시킨다.
• 분자 산소는 널리 사용되는 소분자 유기 반도체에서 전자 이동도를 크게 제한할 정도로 깊은 트랩 상태를 유도한다.
• 잡질 존재 시 상태 밀도의 형태가 상당히 변화하며, 밴드 갭에 가까운 영역으로 향한 꼬리 부분이 넓어진다.
• 잡질에 의해 유도된 트랩은 전자 이동성에 정공 이동성보다 더 해로운 영향을 미치며, 이는 관측된 이동도 저하의 비대칭성을 설명한다.
• 모델는 이동도 감소의 실험적 경향을 정량적으로 재현하여 특정 잡질이 성능 제한 요인으로서의 역할을 확인한다.
• 산소 관련 잡질의 낮은 농도일지라도 깊은 트랩 형성으로 인해 전자 이동도가 상당히 감소할 수 있다.