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最新Nature Materials:混合對有機半導體薄膜帶隙的影響

研究背景

有機半導體幾乎可以在任何襯底上制造出柔性、低成本的器件。有機發光二極管(OLEDs)已在智能手機顯示屏市場占據主導地位,而集成在建筑物中的有機太陽能電池或標簽中的有機場效應晶體管正在商業化。然而,在無機半導體中,電子能級的可調諧性實際上更容易通過混合的能帶結構工程來實現。最近的研究發現,通過混合的能帶結構工程在有機半導體中也起作用,但是物理機制不同。對于大多數應用,改變能隙比改變傳輸能更重要。目前還不可能通過混合來實現有機半導體中可控的能隙變化。需要摻雜具有不同間隙和較大形狀差異的分子以調整間隙,但是在OLED共摻雜物中激子會向較低間隙發射極分子弛豫。一個易被忽略的事實是摻雜會改變層中的介電常數εr,而εr對器件功能很重要。在熱激活延遲熒光中,其影響最低單重態和三重態激發態之間的距離,ΔEST決定系統間的反向交叉率和量子效率。因此,研究混合對εr和單粒子間隙的影響與所有有機器件有關

最新Nature Materials:混合對有機半導體薄膜帶隙的影響

成果簡介

在2021年6月10日,德國德累斯頓工業大學Karl Leo和Frank Ortmann(共同通訊作者)等人報道了當混合兩個不同間隙的分子時,有機半導體的單粒子間隙會連續不斷的變化。作者研究了一系列基于噻吩的太陽能電池吸收劑,并且表明可以發生緊密混合和相分離。對于緊密混合的混合物,通過光電子能譜和逆光電子能譜(IPES)確定電離能(IE)和電子親合性(EA)。通過包括共混物結構描述的綜合理論研究,很好的描述了所觀察到的IE-EA間隙的連續變化。理論分析表明,介電常數(εr)的變化是引起連續偏移的主要影響是。初步的光學數據表明激子間隙同樣受混合控制。此外,作者將在進一步的研究中探討這種能級工程策略對光電器件的實際影響。

圖文速遞

最新Nature Materials:混合對有機半導體薄膜帶隙的影響

圖1. 所用有機分子的結構和能隙
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圖2. 純薄膜和混合物的2D GIWAXS圖
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圖3. 比較3T二聚體和6T單體
最新Nature Materials:混合對有機半導體薄膜帶隙的影響
圖4. 光電子能譜測量結果
最新Nature Materials:混合對有機半導體薄膜帶隙的影響
圖5. 比較IE和單粒子間隙的模擬與實驗變化
總之,通過以低聚噻吩與不同數量噻吩環的共混物為例,作者證明了有機半導體的能隙可以通過共混來調節,基本上與廣泛應用于無機半導體(帶隙工程)的方法相同。光電子能譜和IPES清楚地顯示了單粒子能隙的可調諧性,光學能隙顯示出相似但較小的效應。通過與理論的比較表明,對比均勻的IE和EA位移,這種調諧主要是由共混物中介電常數的變化所引起,從而使得IE和EA的位移相反。相信該工作將刺激與其他材料的進一步研究,以推廣這一效應和演示器件的應用。

文獻信息

Band gap engineering in blended organic semiconductor films based on dielectric interactions. Nature Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41563-021-01025-z.

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01025-z.

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