[论文解读] Effect of Dynamic Disorder on Charge Transport in Organic Molecules

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

Molecular Junctions and Nanostructures参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究探讨了动态无序——由电荷转移积分、能级位置和堆叠角度的涨落引起——对有机半导体（如BDHTT-BBT和DCV5T-Me）中电荷传输的影响。基于Troisi框架的模型揭示，在动态无序的弛豫时间之后，电荷传输从带状（相干）行为转变为非相干跳跃传输。在BDHTT-BBT中，由于高漂移力和高密度通量速率，电子迁移率可达0.36 cm²/V·s。

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.

研究动机与目标

• 理解动态无序对有机半导体中电荷传输机制的影响。
• 量化在动态无序条件下，从相干（带状）传输向非相干（跳跃）传输的转变。
• 评估电荷传输参数（如迁移率、电导率、漂移力和密度通量速率）与动态涨落的关系。
• 在热无序条件下，将所提出的模型与Troisi扩散限制模型进行验证。
• 识别可提升有机半导体中电子传输效率的分子设计特征。

提出的方法

• 通过在BDHTT-BBT和DCV5T-Me中对电荷转移积分、能级位置和堆叠角度的时间依赖性涨落建模动态无序。
• 利用时间平均参数和涨落参数计算相干与非相干速率系数。
• 基于动态无序效应推导漂移力、密度通量速率和势平衡速率的表达式。
• 利用推导出的速率系数和输运参数计算跳跃电导率和电子迁移率。
• 应用Troisi模型进行扩散限制输运，以验证密度通量和漂移力对动态无序的依赖性。
• 进行广泛的推导（42–48页），以建立输运模型的理论基础。

实验结果

研究问题

• RQ1 电荷转移积分、能级位置和堆叠角度的动态涨落在多大程度上影响有机半导体中的电荷传输？
• RQ2 从相干传输向非相干传输的转变发生在何种时间尺度？这一转变由什么因素决定？
• RQ3 漂移力与密度通量速率之间有何关系？其在增强电荷传输中发挥何种作用？
• RQ4 计算出的迁移率和电导率值在多大程度上符合BDHTT-BBT和DCV5T-Me的实验预期？
• RQ5 在动态无序条件下，所提出的模型是否能重现Troisi模型预测的扩散限制行为？

主要发现

• 在动态无序弛豫时间以内，电荷衰减呈指数且非分散形式，表明具有带状输运行为。
• 超过动态无序弛豫时间后，电荷衰减变为分散且非指数形式，表明发生向非相干跳跃输运的转变。
• BDHTT-BBT的电子跳跃电导率为0.8 S/cm，DCV5T-Me为0.18 S/cm，表明BDHTT-BBT具有更优的输运性能。
• BDHTT-BBT的电子迁移率为0.36 cm²/V·s，归因于高漂移力（1.44×10⁻¹² N）和高密度通量速率（1.7×10²⁰ C/m³·s）。
• 密度通量速率与漂移力成正比，证实了该模型在热无序限制扩散方面与Troisi框架的一致性。
• 理论推导表明，动态无序显著调制输运行为，系统在明确的时间尺度上从相干输运转变为非相干输运。