新研究揭示塑料半導體中電荷陷阱的形成機制

標簽：塑料半導體 電荷陷阱

塑料半導體給低成本、大批量生產(chǎn)電子器件帶來(lái)了希望，但其有一個(gè)重要的缺陷：電流會(huì )受到材料中電荷陷阱的影響。據物理學(xué)家組織網(wǎng)7月31日(北京時(shí)間)報道，荷蘭格羅寧根大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院的研究團隊通過(guò)最新研究揭示了隱藏在這些陷阱下的通用機制，并提供了一個(gè)理論框架來(lái)設計沒(méi)有陷阱的塑料電子器件。研究結果提前發(fā)表于《自然·材料》雜志網(wǎng)絡(luò )版。

塑料半導體由有機碳基聚合物制成，其含有一個(gè)可調的禁能隙。然而，電子在半導體中遷移時(shí)，有很多被卡在了材料中的禁能隙陷阱里，無(wú)法轉換成光，從而降低了塑料發(fā)光二級管的發(fā)光效率和塑料太陽(yáng)能電池的效率。

但科學(xué)家對陷阱所知甚少。“我們已經(jīng)通過(guò)比較9種不同聚合物中的陷阱的性質(zhì)來(lái)著(zhù)手解決這一難題。”該研究論文首要作者、格羅寧根大學(xué)的赫爾曼·尼科萊說(shuō)，“比較結果顯示，所有材料中的陷阱都具有非常相似的能級。”

由佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院教授讓-呂克·布萊德斯領(lǐng)導的小組用計算的方式研究了一大批可能陷阱的電子結構。“我們通過(guò)計算發(fā)現，測量到的陷阱能級在實(shí)驗上與水氧復合物產(chǎn)生的能級很匹配。”

尼科萊解釋說(shuō)：“水氧復合物很容易在半導體材料的制造過(guò)程中被引入，即使我們的器件是在氮氣條件下制造的，也無(wú)法阻止少量氧氣和水造成的污染。”

陷阱的能級與水氧復合物相似這一結果意味著(zhù)，現在有可能估算出不同塑料材料中預期將產(chǎn)生的電流，同時(shí)，它也指明了設計不含陷阱的材料的方法。

“陷阱的能級就處于禁能隙。”尼科萊說(shuō)。當一個(gè)移動(dòng)的電子跑進(jìn)處于禁能隙的陷阱中，就會(huì )被抓住，因為陷阱的能級更低。他認為，如果化學(xué)家能夠設計出陷阱能級高于電子運動(dòng)軌道的半導體聚合物，電子就不會(huì )落入陷阱。

尼科萊表示，這項研究成果對于設計高效的塑料發(fā)光二極管和塑料太陽(yáng)能電池非常重要。