有机半导体NPB空穴迁移率的快速确定

第４０卷第４期

２０１４年８月

兰州理工大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｍｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＶｏＬ４０Ｎｏ．４

Ａｕｇ．２０１４

文章编号：１６７３—５１９６（２０１４）０４－００９７－０４

有机半导体ＮＰＢ空穴迁移率的快速确定

吴有智１’２，马继晶１’２，张运虎１’２，张材荣３，张定军ｈ２

（１．省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州７３００５０；３．兰州理工大学理学院，甘肃兰州７３００５０）

７３００５０；２．兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃兰州

摘要：以典型有机半导体材料——胺类衍生物ＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’－ｄｉｐｈｅｎｙｌ－Ｎ，Ｎ７－ｂｉｓ（１一ｎａｐｈｔｈｙｌ）（１，１’－ｂｉｐｈｅｎｙｌ）一４，４’

ｄｉａｍｉｎｅ）为空穴传输层，采用ＭｏＯｓ为阳极缓冲层削备结构简单的只有空穴传输的单载流子器件．以空间电荷理论为基础，利用从器件电流一电压关系交换而来的一个特殊而简单的函数确定出电场强度在６００时，ＮＰＢ空穴迁移率位于１．１×１０＿５～３．５Ｘ１０＿４形成良好的欧姆接触．

关键词：有机半导体；ＮＰＢ；空穴迁移率；空问电荷中图分类号：ＴＮ３０１．１

文献标识码：Ａ

．

１

０００驴／２ｃｍ＿１／２

ｃｍ２Ｖ＿１

Ｓ一，这与文献报导采用其他方法得到的结果接近，表明

这是一种简单而有效的确定有机半导体载流子迁移率的方法，同时也表明Ｍ００３为阳极缓冲层可在ＩＴＯ／ＮＰＢ间

Ｆａｓｔｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｈｏｌｅ

ｍｏｂｉｌｉｔｙｉｎｏｒｇａｎｉｃｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＮＰＢ

ＷＵＹｏｕ－ｚｈｉｌ”，ＭＡＪｉ－ｊｉｎ９１”，ＺＨＡＮＧＹｕｎ－ｈｕｌ”，ＺＨＡＮＧＣａｉ－ｒｏｎ９３，ＺＨＡＮＧＤｉｎｇ－ｊｕｎｌ’２

（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧａＩｌＳＵＡｄｖａｎｃｅｄＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｍｈｏｕＵｎｉｖ．ｏｆＴｅｃｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０。Ｃｈｉｎａ；３。ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖ．ｏｆＴｅｅｈ．，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｏｒｇａｎｉｃｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ

ｍａｔｅｒｉａｌ—ａｍｉｎｅｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ［Ｎ，Ｎ’－ｄｉｐｈｅｎｙｂＮ，Ｎ’一

ｈｏｌｅｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇｌａｙｅｒａｎｄＭ００３

ａｓ

ｂｉｓ（１一ｎａｐｈｔｈｙｌ）（１，１’一ｂｉｐｈｅｎｙｌ）一４，４’ｄｉａｍｉｎｅ，ＮＰＢ］ａｓ

ｌａｙｅｒ，ａｍｏｎｏ－ｅａｒｒｉｅｒｄｅｖｉｃａｗｉｔｈｓｉｍｐｌｅ

ｓｐａｃｅ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ａｎｏｄｅｂｕｆｆｅｒ

ｏｎ

ａｎｄｈｏｌｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｌｏｎｅｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ

ａ

ｃｈａｒｇｅ－ｌｉｍｉｔｅｄ－ｃｕｒｒｅｎｔｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｍｐｌｏｙｉｎｇｓｐｅｃｉａｌａｎｄｓｉｍｐｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍ

ｔｏ

ｃｕｒｒｅｎｔ－

ｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅｈｏｌｅｍｏｂｉｌｉｔｙｏｆＮＰＢｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ

１×１０一５

ｔｏ

ｂｅｗｉｔｈｉｎｔｈｅ

ｒａｎｇｅ

ｏｆ１．

３．５×１０—４ｃｍ２Ｖ一１

Ｓ一１

ｗｈｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｆｉｅｌｄ

ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｉＳｂｅｔｗｅｅｎ６００ａｎｄ１０００Ｖ１／２ａｍ一１／２．

ｗｈｉｃｈｉｓｉｎ

ｉｓ

ａ

ｖｅｒｙｇｏｏｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｅ

ｔｏ

ｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｏｔｈｅｒｍｅｔｈｏｄｒｅｐｏｒｔｅｄｉｎｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｉｓ

ｓｉｍｐｌｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｃａｒｒｉｅｒｍｏｂｉｌｉｔｙｉｎ

ｏｒｇａｎｉｃ

ａｓ

ａｎ

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ｆｉｎｅｏｈｍｉｃ

ｃｏｎ－

ｔａｃｔｃａｎ

ｂｅｆｏｒｍｅｄｂｅｔｗｅｅｎＩＴＯａｎｄＮＰＢｗｈｅｎＭ００３ｉＳｕｓｅｄａｎｏｄｅｂｕｆｆｅｒｌａｙｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｒｇａｎｉｃｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；ＮＰＢ；ｈｏｌｅｍｏｂｉｌｉｔｙ；ｓｐａｃｅｃｈａｒｇｅ

在有机半导体器件的研究中，有机半导体材料载流子电荷传输能力由于对器件的性能具有决定性作用而成为人们最为关心的问题之一．作为表征材料载流子电荷传输能力的特征物理量——载流子迁移率的确定［１‘９］显得尤为重要．一般，确定有机半导体迁移率常用的方法有：光生载流子的渡越时间法

（ｔｉｍｅｏｆ

发光延迟的方法（ｔｒａｎｓｉｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）［３＇５］及根据稳态电流一电压关系的空间电荷限制电流法

（ｓｐａｃｅ－ｃｈａｒｇｅｌｉｍｉｔｅｄ

ｃｕｒｒｅｎｔｓ，ＳＣＬＣ）岬１等．前三

种方法文献中比较常见，但由于载流子本身的弥散性（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）从而使涉及到的时间参量的测量难以准确把握，一般需要昂贵、精密的仪器设备．而且为了减小时间参量测量的误差，不得不采用较厚的膜，厚度可达几个微米，这个厚度是一般有机半导体器件典型厚度的几十倍．一方面，意味着材料消耗的成本增加；另一方面，有研究时］表明有机材料载流子迁移率会随着有机层厚度的变化而变化，如此，用几十倍有机器件厚度的材料中得到的迁移率数值来

ｆｌｉｇｈｔ，Ｔ（）Ｆ）［１剖，注入载流子的渡越时间法

（ｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｐａｃｅ－ｃｈａｒｇｅｌｉｍｉｔｅｄｃｕｒｒｅｎｔｓ，｝ＳＣＬＣ）［１｜，

收稿日期：２０１３－１２－０９

基金项目：国家自然科学基金（１１１６４０１５，１１１６４０１６），教育部留

学回国人员科研启动基金（第４０批）

作者简介：吴有智（１９６５－），男，甘肃靖远人。博士，教授．

万方数据

?９８?

兰州理工大学学报第４０卷

反应真实器件中载流子迁移率便不能令人满意，其结果只具有参考意义．第四种方法原则上不会出现系统性误差的问题，因为从本质上来讲电流取决于迁移率、外加电压及有机层厚度，因此根据实验测得的电流一电压关系曲线，应该可定出迁移率．可惜的是，在迁移率依赖电场变化而变化（有机半导体典型特征之一）的情况下器件电流、电压、迁移率和器件厚度之间不存在严格解析式．文献Ｅ６－１以不依赖电场迁移率条件下的电流、电压、迁移率和器件厚度之间

的ＭｏｔｔＧｕｒｎｅｙ关系式Ｊ＝（９／８）￡，￡ｏＩ业ＶｅｌＬ３（￡，ｅｏ

空穴传输层ＮＰＢ（１００ｎｍ）、阴极Ａｌ（１００ｎｍ），得到了结构为ＩＴＯ／ＭｏＯ。／ＮＰＢ／Ａｌ的器件．有机材料的蒸发速率约为０．２＂－－Ｏ．５ｎｍ／ｓ，金属电极蒸发速率约为５ｎｍ／ｓ，蒸发速率使用石英晶体振荡膜厚仪进行实时监控．电流和电压使用吉时利公司（ＫｅｉｔｈｌｅｙＬｔｄ．）的２４００数字源表在室温大气氛围下进行测量．器件结构如图１所示．

．～ｌ

ＮＰＢ

为有机层介电常数，卢为迁移率，Ｖ为器件电压，Ｌ为器件厚度）结合依赖于电场迁移率的ＰＦ（ｐｏｏｌｅ－

ＭｏＯ，

ＩＴ０

ｆｒｅｎｋｅｌ）关系式卢一卢。ｅｘｐ（徊／２）（Ｅ为电场强度，ｙ

为一常数）研究器件中材料迁移率，其结果虽有一定参考价值，但其物理合理性存在很大问题，因为

ＭｏｔｔＧｕｒｎｅｙ关系式成立的条件是肛不依赖于电

Ｆｉｇ．１

Ｇｌａｓｓ

图１器件结构示意图

Ｄｅｖｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ

场，而ＰＦ关系式表明口是强烈依赖于电场的．

文献Ｅ８－１以空间电荷理论为基础，通过约１００ｎｍ厚（与有机器件中厚度相当）的单载流子器件电流一电压（户Ｖ）关系曲线，采用数学演绎的方法得到一个特殊函数，利用该函数可以很方便地计算迁移率．利用该方法已获得典型有机半导体Ａｌｑ（ｔｄ－（８一ｑｕｉｎｏｌｉｎａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｕｍ）电子迁移率依赖于电场变化而变化的数值结果．

本文将这一方法应用到有机器件中另一典型材料——ＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’ｄｉｐｈｅｎｙｌ－Ｎ，Ｎ，＿ｂｉｓ（１－ｎａｐｈ—ｔｈｙｌ）（１，１’－ｂｉｐｈｅｎｙｌ）－４，４’ｄｉａｍｉｎｅ），以期望进一步检验这一思路并计算ＮＰＢ的空穴迁移率．

设器件中只有空穴从阳极注入，空穴从阳极向阴极稳定迁移，器件的卜ｙ特性曲线通过实验获得，器件厚度以Ｌ表示，则根据下列方程［８］可将，Ｖ特性关系变换为一个新的函数ｇ－Ｅ关系，即函数ｇ—ｇ（Ｅ）的数值结果：

２结果与讨论

器件的能级结构如图２所示．文献１－１０３报导ＩＴＯ／ＮＰＢ间插人约０．７５ｎｍ厚的ＭｏＯ。缓冲层可以实现良好的欧姆接触，从而有利于空穴注入．就ＭｏＯ。缓冲层最佳厚度问题，作者曾在以ＭｏＯ。为缓冲层的发光器件研究中进行过系统的实验研究［１１Ｊ，结果比文献ＥｌＯ］报导的略薄，大约为０．５ｎｍ．如图２所示，阴极一端，Ａｌ功函数为４．３ｅＶ，ＮＰＢ最低未占据分子轨道能级（１０ｗｅｓｔ

２．０

ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄｍｏｌｅｃｕｌａｒ

ｏｒｂｉｔａｌ，ＬＵＭＯ）为２．４ｅｖ［１Ｉ，它们之间相差接近

ｅＶ，其可视为电子注入ＮＰＢ所需跨越的势垒．?