[论文解读] Chemical potential in disordered organic materials

A. Sharmaand, Michael Sheinman|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过第一性原理方法，针对三种区域——非简并、简并和饱和——在具有高斯无序的无序有机半导体中，解析推导了化学势。该研究建立了化学势与载流子浓度及能级无序之间的函数关系，为理解有机电子器件中的迁移率提供了基础框架。

ABSTRACT

Charge carrier mobility in disordered organic materials is being actively studied, motivated by several applications such as organic light emitting diodes and organic field-effect transistors. It is known that the mobility in disordered organic materials depends on the chemical potential which in turn depends on the carrier concentration. However, the functional dependence of chemical potential on the carrier concentration is not known. In this study, we focus on the chemical potential in organic materials with Gaussian disorder. We identify three cases of non-degenerate, degenerate and saturated regimes. In each regime we calculate analytically the chemical potential as a function of the carrier concentration and the energetic disorder from the first principles.

研究动机与目标

• 确定无序有机半导体中化学势与载流子浓度之间的函数关系。
• 解决目前对化学势如何依赖于能级无序和载流子浓度缺乏第一性原理理解的问题。
• 对化学势在三种不同区域（非简并、简并和饱和）的行为进行分类与分析。
• 提供对有机场效应晶体管和OLED中电荷输运建模至关重要的化学势解析表达式。

提出的方法

• 使用高斯分布对有机材料的态密度进行建模，以表征能级无序。
• 应用统计力学原理，从广义系综出发，对每种区域推导化学势。
• 利用费米-狄拉克分布描述载流子统计，并对高斯态密度进行积分。
• 在非简并区域，通过质量作用定律和低载流子浓度近似，推导化学势的解析表达式。
• 在简并区域，采用托马斯-费米近似和高载流子浓度极限，扩展分析。
• 通过考虑高掺杂下化学势趋近于高斯态密度尾端的情形，推导饱和区域的行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有高斯无序的无序有机材料中，化学势如何随载流子浓度变化？
• RQ2 在非简并、简并和饱和区域中，化学势的解析行为有何不同？
• RQ3 能级无序在这些区域中如何影响化学势？
• RQ4 能否建立一个统一的第一性原理框架，描述所有载流子浓度区域中的化学势？

主要发现

• 在非简并区域，化学势随载流子浓度对数增加，且与无序参数的倒数呈线性关系。
• 在简并区域，化学势与载流子浓度的平方根成比例，且受高斯态密度宽度的显著影响。
• 在饱和区域，化学势趋近于高斯态密度的边缘，表明在高掺杂下存在极限行为。
• 推导出的解析表达式在所有载流子浓度区域均有效，为无序有机半导体中的化学势提供了连贯的描述。