有机半导体中掺杂机理的研究

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近几十年来,有机半导体材料以其成本低、质量轻、种类繁多、制备工艺简单等特点越来越受到研究者们的广泛关注。并且目前已经取得了实质性的进展,在显示屏、照明等方面进行了商业化生产。但是与无机半导体材料相比,其迁移率和电导率还有很大的差距,仍需要进一步的研究。通常掺杂作为一种有效的方法来提高载流子的电导率和迁移率。然而,半导体材料掺杂后对于费米能级、电子结构以及最高占据分子轨道(Highest occupying molecular orbit,简称HOMO)能级分布的影响,仍然有待进一步的研究。本论文着重针对有机半导体中掺杂机理对载流子传输性能的影响的研究。研究内容主要包含以下几个部分:  一、热蒸发三氧化钼(MoO3)掺杂诱导产生p型富勒烯(C60)的机理研究。热蒸发方法制备MoO3掺杂C60薄膜,通过X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)表征可以看出,纯C60薄膜为n型半导体材料掺杂后转变成了p型C60混合薄膜,也就是传输特性发生了转变。而且随着MoO3掺杂浓度的增加,C60HOMO能级逐渐向费米能级移动,最终钉扎在C60HOMO边位置(结合能约为0.20eV处),说明形成了p型C60薄膜。另外这个工作中提出了由于电荷转移导致了p型C60的形成,这是因为MoO3的大电子亲和势(约为6.37eV),使得位于C60HOMO能级的电子易于传输到MoO3LUMO能级上,因此混合薄膜中形成了C60正离子,增加了其空穴浓度,而这种增加了的空穴浓度逐渐将C60HOMO能级推向费米能级处,最终形成了p型C60。并且在高掺杂薄膜中通过UPS谱可以确定形成了不同类型的C60。  二、通过HAT(CN)6分子掺杂在α-NPD中对费米能级调控的影响。对于α-NPD掺杂HAT(CN)6薄膜,通过超高灵敏度UPS测试定量地研究了有机半导体薄膜中的掺杂机理。并且可以看出随着HAT(CN)6掺杂浓度的不同,α-NPD HOMO能级以两个不同的速率向费米能级(EF)移动,另外纯的和掺杂的无定型α-NPD薄膜的HOMO能级分布在态密度高于5×1018/(cm3·eV)时精确的服从于高斯分布而不是指数尾态。通过在掺杂薄膜中对HOMO能级的理论模拟说明了费米能级的移动是由高斯分布空穴陷阱(HOMO边以上1.1eV处)的钝化作用导致的。分子比(MR)小于0.01的超低掺杂时,HOMO能级向费米能级移动了约0.40eV,而当分子比(MR)约为0.01时,HOMO能级的移动速度突然发生改变,即随着分子比的增加移动速度减慢。
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