对于载流子有机电子器件电荷输运与相关电性质结论

摘要：有机电子器件具有一系列优异特性并展现出巨大的运用潜力，近年来受到国内外学术界和产业界的广泛关注。但它们同时体现出的运行速度慢、工作效率低、利用寿命短等缺点也严重阻碍了其进一步进展。要以根本上解决这些不足，使有机电子器件更好地为我们所用，就需要进一步提升有机半导体材料的性能，设计更合理的有机电子器件结构。而要达到这一目的，就要求我们必须正确认识有机半导体材料及有机电子器件的电荷输运不足，这对有机半导体材料的合成及有机电子器件的设计具有重要指导作用。本论文正是基于这一主题，深入探讨了有机半导体材料及器件的电荷输运及相关的电性质，获得了一些有益于有机半导体材料合成及有机电子器件设计的重要结果。论文的主要工作和革新点如下：一、提出了一种特别的求解描述空间电荷限制电流（SCLC）耦合方程的非均匀离散化数值计算策略。基于这种数值策略和扩展高斯无序模型（EGDM），计算了基于有机半导体聚合物MEH-PPV和P3HT的空穴型二极管J V特性，证实了数值计算结果同实验测试数据相当吻合。此外，进一步计算和浅析了器件的J V特性随边界载流子浓度的变化联系以及载流子浓度和电场强度随有机活性层中位置的分布情况。结果表明：太大或太小的边界载流子浓度将导致不正确的J V特性，载流子浓度为有机层中位置的减函数而电场强度为位置的增函数，载流子浓度的最大值和场强的最小值出现在界面处。二、在W. F. Pasveer等人提出的只考虑了非阿列纽斯温度依赖联系的扩展高斯无序模型的基础上，全面考虑阿列纽斯温度依赖联系和非阿列纽斯温度依赖联系对载流子迁移率的影响，提出了一种基于两种温度依赖联系的载流子迁移率依赖于场强、温度及载流子浓度的统一论述模型，并证实了该模型能更好地描述有机电子材料及器件的电荷输运，尤其在高载流子浓度和高场强区域。此外，将该模型运用于基于有机半导体聚合物NRS-PPV、OC1C10-PPV及MEH-PPV的空穴型器件，证实了利用该模型计算的J V特性同实验测试结果非常吻合，表明改善模型相对于初始模型可以更好地描述有机电子器件的J V特性，更好地俘获了有机电子材料及器件的电荷输运本质，更适用于有机半导体材料及器件电荷输运及相关电性质的探讨。三、实验上制备了基于有机小分子半导体NPB的器件，测试了不同厚度器件室温下的J V特性，证实了改善模型仅用一组模型参数就能同时描述不同厚度器件的J V特性；其次，将改善模型运用于基于聚芴PFO的空穴型器件，证实了改善模型可以仅用一组模型参数就极好地描述相同厚度不同温度或相同温度不同厚度的PFO基空穴型器件的J V特性；最后，将改善模型运用于基于聚噻吩类有机半导体P3HT的空穴型器件，结果显示改善模型很好地描述了P3HT基空穴型器件的J V特性。所有这些结果表明改善模型非常适合于探讨各类有机半导体材料的电荷输运。关键词：有机电子器件论文电荷输运论文载流子迁移率论文电性质论文数值计算策略论文

摘要5-7

ABSTRACT7-12

第一章 绪论12-22

1.1 有机电子学介绍12-14

1.2 有机半导体的基本特性14-15

1.3 有机半导体的运用15-19

1.3.1 有机电致发光二极管15-17

1.3.2 有机场效应晶体管17-18

1.3.3 有机太阳能电池18

1.3.4 有机传感器、存储器和激光器18-19

1.4 有机半导体电荷输运不足19-20

1.5 本论文的结构及主要内容20-22

第二章 有机半导体电荷输运基本论述22-38

2.1 引言22

2.2 固体材料载流子输运基本方式22-23

2.2.1 能带型输运22-23

2.2.2 跳跃型输运23

2.3 有机半导体载流子输运微观论述23-25

2.3.1 Miller-Abrahams 模型24

2.3.2 极化子模型24-25

2.4 有机半导体载流子迁移率基本论述25-27

2.4.1 迁移率与温度的联系25-26

2.4.2 迁移率与场强的联系26-27

2.4.3 迁移率与载流子浓度的联系27

2.5 高斯态密度27-31

2.5.1 高斯无序模型28-29

2.5.2 相关无序模型29

2.5.3 扩展高斯无序模型29-30

2.5.4 扩展相关无序模型30-31

2.6 指数态密度31-33

2.7 有机电子器件伏安联系基本方式33-37

2.7.1 注入限制电流33-35

2.7.2 空间电荷限制电流35-37

2.8 本章小结37-38

第三章 有机电子器件电荷输运数值计算策略及运用38-56

3.1 引言38-39

3.2 载流子迁移率模型39-42

3.3 数值计算策略42-44

3.3.1 均匀离散化策略42-43

3.3.2 非均匀离散化策略43-44

3.4 运用于有机电子器件44-55

3.4.1 运用于基于 MEH-PPV 的器件45-50

3.4.2 运用于基于 P3HT 的器件50-55

3.5 本章小结55-56

第四章 基于两种温度依赖联系的统一载流子迁移率模型56-82

4.1 引言56-58

4.2 论述和模型58-68

4.2.1 EGDM 的引入策略58-62

4.2.2 关于两种温度依赖联系62-63

4.2.3 基于两种温度依赖联系的迁移率模型63-68

4.3 运用于基于 NRS-PPV 和 OC1C10-PPV 的空穴型器件68-76

4.4 与 EGDM 在实际运用中的比较76-81

4.5 本章小结81-82

第五章 改善迁移率模型的实验验证及运用范围82-96

5.1 引言82

5.2 运用于基于有机小分子的器件82-86

5.3 运用于基于 PFO 的器件86-91

5.4 运用于基于 P3HT 的器件91-93

5.5 改善迁移率模型与传统模型的比较93-95

5.5.1 与 Poole-Frenkel 型迁移率模型比较93-94

5.5.2 与 EGDM 比较94-95

5.6 本章小结95-96

第六章 总结与展望96-99

6.1 总结96-98

6.2 展望98-99

致谢99-100