Электронные свойства органических полупроводников

 

Профессор  А.С. Комолов

 

1. Введение. Электропроводность сопряженных органических материалов. Сопряжение в органических материалах. Причина электропроводности и полупроводниковых свойств в органических материалах. Носители заряда в органических материалах. Эмпирическое описание электропроводности.

 

2. Органические твердые телаСостав и структура молекул, образующих полупроводниковые органические материалы. Ароматические молекулы и гетероциклические соединения, формирующие органические твердые тела. Обобществление Пи- электронов: результаты расчетов для молекулы антрацена. Наиболее важные виды полупроводниковых органических материалов. Кристаллическая структура органических полупроводников. Особенности органических полупроводников в рамках концепций физики твердого тела (некоторые особенности, кратко). Структура органических кристаллов на основе неполярных молекултруктура органических кристаллов на основе молекул полярными заместителями и кристаллов на основе комплексов переноса заряда. Монокристаллы полимеров и возможные варианты структурирования тонких пленок.

3. Контроль химического состава и структуры органических полупроводников. Химический состав, геометрическая структура и электронные свойства полупроводниковых органических пленок. Состав и структура молекул, образующих полупроводниковые органические материалы. Контроль состава и структуры молекул с помощью Оже-электронной и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Контроль состава и структуры молекул с помощью спектроскопии поглощения рентгеновских лучей. Преимущественная ориентация сопряженных органических молекул на подложке, аморфная фаза, микрокристаллиты. Самосборка молекул в сверхтонком слое.

4. Структура поверхности пленок сопряженных полимеров и малых сопряженных органических молекултруктура поверхности пленок, осажденных из жидкой фазы,  при характерным размере области сканирования 1 мкм. АСМ изображения поверхностей термически осажденных пленок фталоцианина меди и замещенного перилена. Влияние температуры подложки на структуру термически осажденных сопряженных органических пленок. СЗМ измерения упорядоченных органических пленок с молекулярным разрешением.

5. Особенности электронных состояний в органических полупроводникахешения уравнения Шредингера в модели свободных электронов. Решение уравнения Шредингера для кристалла в приближении слабой связи электрона с ионным остовом. Решение уравнения Шредингера для кристалла в приближении сильной связи электрона с ионным остовом. Длина свободного пробега электрона. Применимость модели обобществленных электронов. Отклонение кристаллического потенциала от периодического и интеграл взаимодействия. Электроны и дырки в упорядоченных и неупорядоченных полупроводниках. Плотность состояний и спектр оптического поглощения органических полупроводников. Определение ширины запрещенной зоны органических полупроводников по спектру оптического поглощения. Особенности механизмов электропроводности в органических полупроводниках. Особенности проводимости по локализованным состояниям. Особенности проводимости по делокализованным состояниям. Сравнение температурных зависимостей электропроводности в случаях прыжкового и когерентного транспорта носителей.

6. Механизмы движения носителей заряда в органических полупроводникахемпературная зависимость подвижности носителей заряда. Поляризация органического материала в окрестности носителя заряда. Определение подвижности носителей заряда времяпролетным методом. Критерий для выполнения условий зонной, либо прыжковой электропроводности. Зависимость подвижности  носителей заряда от температуры в случае зонного транспорта. Температурная зависимость подвижности  носителей заряда в кристаллах антрацена, тетрацена и перилена. Влияние дефектов на подвижность носителей заряда в органических кристаллах. Влияние напряженности электрического поля на подвижность носителей заряда в органических кристаллах. Зонная энергетическая структура органических кристаллов в случае двух однотипных молекул разной ориентации в составе единичной ячейкисобенности характеристик подвижности носителей заряда при движении в неупорядоченных органических полупроводниках. Прыжковый механизм движения носителей заряда. Модель Басслера. Температурная зависимость подвижности по модели Басслера. Зависимость подвижности от приложенного электрического поля по модели Басслера.

7. Электрический ток, ограниченный пространственным зарядом, в органических полупроводникаходель омического протекания тока и тока, ограниченного пространственным зарядом. Анализ ВАХ в случае ТОПЗ в органических  материалах. Расчеты для анализа ВАХ в случае ТОПЗ c учетом зависимости подвижности от приложенного поля в органических  материалах. Случай ТОПЗ при постоянной подвижности и отсутствии центров захвата. Случай постоянной подвижности и дискретных центров захвата. Случай постоянной подвижности и центров захвата, распределенных по энергии. Определение различных видов ТОПЗ с учетом зависимости протекающего тока от толщины образца. Экспериментальные результаты измерений ВАХ органических полупроводников. Обсуждение экспериментальных результатов измерений ВАХ органических полупроводников в рамках модели ТОПЗ. Сравнение температурных зависимостей концентрации, подвижности носителей и электропроводности в органических полупроводниках.

8. Особенности полупроводниковых материалов на основе сопряженных проводящих полимеровтруктурные особенности сопряженных полимеров.Длина сопряжения (conjugation length). Целесообразность исследования олигомеров.Solitons and Polaronstheoretical definitions.Bond-Length Alternation (Dimerization): Polyacetylene as a SemiconductorЗависимость энергии цепи полимера от смещения атомного узлаолитон, полярон и биполярон – результат нарушения геометрии цепи. Энергетические уровни солитонов, поляронов и биполяронов. Применение проводящих полимеров при электрохимическом легировании. Li-полимерные батареи.

9. Электронные процессы в пограничных областях наноразмерных органических материалов. Особенности применения ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии к исследованию интерфейсов органических пленок. Потенциал ионизации и уровень границы зоны проводимости в органических материалах. Интерфейсный сдвиг уровня вакуума. Протяженный интерфейсный диполь. Область интерфейсного диполя в однокомпонентных и допированных органических пленках. Ковалентная связь, комплекс переноса заряда и электронный обмен на интерфейсе. Модификация

 химической и электронной структуры органического материала и материала подложки вследствие

 взаимодействия на интерфейсе. Взаимодействие на интерфейсах при напылении

металлического слоя поверх пленки полупроводниковых органических материалов.

Диффузия атомов металлов и кислорода в тонкопленочные сопряженные органические материалы.

10. Плотность электронных состояний полупроводниковых органических материалов. Интеграл взаимодействия электронов, находящихся на орбиталях соседних молекул. Расщепление молекулярных уровней для различных конфигураций расположения молекул в материале. Расщепление молекулярных уровней в зависимости от размера кластера. Зависимость энергии электрона от волнового вектора в бесконечных цепях полимеров и при нарушении структурной регулярности цепи. Понятие о незаполненных электронных состояниях в полупроводниковых органических материалах. Основы экспериментальных методов исследований незаполненных электронных состояний. Основы методов теоретических исследований незаполненных электронных состояний. Энергетический спектр вакантных (незаполненных) электронных состояний по данным рентгеновской абсорбционной  (NEXAFS). Влияние различия энергий связи атомов ввиду несимметрии их расположения в молекуле на NEXAFS анализ. Метод ”строительных блоков” (building block – в оригинале). Тенденция изменения энергетического расположения s* (C-C) пиков в зависимости от длины связи между атомами С. Плотность незаполненных электронных состояний полупроводниковых органических материалов по данным обращенной фотоэмиссионной спектроскопии (IPES) и низкоэнергетической вторичной электронной спектроскопии полного тока (СПТ)

11. Возбужденные электронные состояния в органических полупроводниках. Введение.  Оптически возбужденные состояния в органических твердых телах и переходы между ними. Взаимосвязь оптически возбужденных состояний и зонных энергетических характеристик органического полупроводника. Особенности оптических спектров органических твердых тел по сравнению со спектрами отдельных молекул. Электронная конфигурация возбужденного молекулярного димера, мини-экситон. Электронная конфигурация возбужденного состояния в кристалле, экситон Френкеля. Случаи одной и двух молекул в единичной ячейке. Экситон переноса заряда в органических полупроводниках. Перенос энергии с участием экситонов. Сенсибилизированная флюоресценция. Флюоресценция с задержкой.

12. Электролюминесценция и фотовольтаический эффект в органических материалахринцип работы устройств и зонная энергетическая диаграмма. Факторы, определяющие эффективность OLED. Многослойные органические светоизлучающие диоды. Материалы. Стабильность. Фотовольтаические устройства на основе органических материалов. Характеристики органических фотовольтаических ячеек. Характеристики ячеек на основе двухкомпонентного органического

 материала. Полупроводниковые устройства на основе тонких пленок и наноразмерных структур. Вольтамперные характеристики и модель жестких зон для описания устройств на основе структур металл/полимер/металл. Межмолекулярные донорно-акцепторные интерфейсы для органических полупроводниковых фотовольтаических устройств.

 

Список обязательной литературы

1. Као, Кван Ши. Перенос электронов в твёрдых телах. Электрические свойства органических полупроводников М. : Мир, 1984

2. Ф. Гутман, Л. Лайонс,  Органические полупроводники : пер. с англ. М. : Мир, 1970.

3. W. Jones, Organic molecular solids: properties and applications, New York: CRC Press, 1997

4. W. Brütting. Physics of organic semiconductors. Wiley 2005

5. M. Schwoerer, H.C. Wolf. Organic Molecular Solids. Wiley 2007

6. W.R. Salaneck, K. Seki, A. Kahn, J.-J. Pireaux, Conjugated Polymer and Molecular Interfaces: Science and Technology for Photonic and Optoelectronic Applications, Marcel Dekker, New York, 2002.

7. Y. Stöhr, NEXAFS Spectroscopy, Springer, Berlin, 1996.

8. Schott M. and Nechtstein M. Introduction to conjugated and conducting polymers  in: Organic conductors, Ed. by: Farges J.P. Marcel Dekker: New-York, 1994, p. 495-538.

9. Menon R. Charge transport in conducting polymers in: Handbook of organic conductive molecules and polymers, Ed. by: Nalwa H.S. Wiley: New-York, 1997, p. 47-140.

10. Bredas J. L., Calbert J. P., da Silva Filho D. A. and Cornil J. Organic semiconductors: A theoretical characterization of the basic parameters governing charge transport.

Proc. Nat. Acad. Sci., 2002, Vol. 99, p. 5804-5809.

11. Бразовский С. А. и Кирова Н. Н. Экситоны, поляроны и биполяроны в проводящих

 полимерах. Письма в ЖЭТФ, 1981, Том 33, Ном. 1,6-10, С. 4-8.

 

Список дополнительной литературы

1. Norden B. Krutmeijer E. The Nobel Prize in Chemistry, 2000: Conductive polymers, The Royal Swedish Academy of Sciences, Stockholm 2000.

2. Зенгуил Э. Физика поверхности, М: Мир, 1990

3. Бехштепт Ф., Эндерлайн Р. Поверхности и границы раздела полупроводников, М: Мир, 1990

4. Hitchcock A. P., Newbury D.C., Ishii I., Stöhr J. et al., Carbon K-shell excitation of gaseous and condensed cyclic hydrocarbons, J. Phys. Chem., 1986,  Vol. 85, p. 4849-4862

5. Oji H., Mitsumoto R., Ito E. et al., Core hole effect in NEXAFS spectroscopy of polycyclic aromatic hydrocarbons: Benzene, chrysene, perylene and coronene, J. Chem. Phys. 1998, Vol. 109, No. 23, p. 10409-10418.

6. Spanggaard H., Krebs F. C., A brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics, Sol. Energy Mat. Sol. Cells 2004, Vol. 83, p. 125-146.

7. Комолов А.С. Незаполненные электронные состояния пленки олигомера кватерфенила и ее интерфейса с поверхностями золота и окисленного кремния, ЖТФ 2006, Том. 76, Вып. 3, С. 70-74.

8. M. Krzywiecki, L. Ottaviano, L.  Grzadziel, P. Parisse, S. Santucci, J. Szuber, Influence of substrate doping on the surface chemistry and morphology of Copper Phthalocyanine ultra

 thin films on Si (111) substrates, Thin Solid Films 517 (2009) 1630