有機半導體中載流子輸運特性的理論研究

《有機半導體中載流子輸運特性的理論研究》是依託復旦大學，由姚堯擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：有機半導體中載流子輸運特性的理論研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：姚堯

項目摘要

有機半導體不僅能實現無機半導體相應的功能，並且有許多獨特的優勢，研究其中的載流子輸運特性是目前最為核心的課題之一。由於有機材料中的聲子和動態無序的特點，實驗發現，有機半導體中的載流子輸運過程存在一個明顯的溫度反常現象。基於這一現象，本項目提出了從基本理論框架入手，建立有推廣性的理論模型來描述這一體系中的輸運特性。我們的研究將集中在載流子遷移率與溫度的關係、其初始運動的時間和溫度依賴性、相干和非相干運動的結合與調控等幾個極具科學意義的課題上。我們的研究計畫分為兩步完成，第一步是基於一個簡化的模型來建立相應的理論框架，並據此來解釋遷移率對溫度的反常現象等；第二步則是將這一理論框架擴展到不同的實驗中，如載流子輸運的磁場效應等。通過這樣的研究，我們期望能得到關於有機半導體中載流子輸運特性的完整認識，並能對有機光電器件的研製和套用給予幫助。

結題摘要

本項目的主要研究內容是有機半導體中的載流子輸運特性，為了進行相關研究，我們的計畫分為了兩部分，分別是從微觀的理論模型出發，計算載流子的躍遷等運動過程，以及從唯象的器件模擬出發，研究載流子的運動對有機半導體器件的器件表現構成的影響。經過三年的研究工作，我們獲得了如下幾點重要的研究成果： （1）我們將勢能面躍遷的計算方法引入到動力學無序模型中，研究了退相干效應對載流子輸運過程的影響。我們的結果在不同參數範圍內顯示了正與負兩種擴散係數與溫度的依賴關係，這說明我們可以用一個理論框架同時給出能帶輸運和躍遷輸運兩種不同的輸運特性，這為研究有機半導體中的載流子輸運問題提供了一個有用的參考。 （2）對於載流子在分子間的躍遷過程、以及有機磁電阻效應的機理問題，我們從自旋-玻色模型切入開展了我們的研究工作。自旋-玻色模型是一個形式上簡單、但物理又非常豐富的模型，已有的研究方法在該模型上都有明顯的局限性。本項目的研究工作主要是發展了兩套分別基於密度矩陣重整化群和勢能面躍遷的方法，這使得無論基態、激發態，還是動力學、熱力學的性質，都能進行合理的研究。發展這兩套方法本身，對於我們當前及今後的相關領域研究工作都有極大的裨益。而在本項目中，我們在此基礎上研究了有機磁電阻效應的微觀機理，並提出了一個基於局域自旋的理論模型，解釋了小磁場及同位素效應。此外，我們還構建了一個量子熱機模型，研究有機分子中的激子拆分問題。 （3）在有機半導體器件層面的研究中，我們的理論工作深入到了“深水區”，也就是器件穩定性方面的研究。器件穩定性是之前的理論工作者不願觸碰的問題，原因是影響因素過多過複雜。我們在有理論與實驗緊密結合的優勢下，選擇了啃器件穩定性這根“硬骨頭”。我們在器件的記憶效應、器件衰減及表面損失、富勒烯的空穴漏電流等問題上，開展了多個理論與實驗相結合的研究工作。在這些研究工作中，我們已經初步掌握了影響有機半導體器件穩定性的幾個關鍵因素，如有機層疏鬆特性引起的金屬滲漏、紫外引起的金屬功函式變化、受主與金屬電極的界面等。這些認識能夠幫助我們在器件生長等方面進行更好地控制，以獲得效率更高的器件。