厚度，V為加載在有機(jī)層上的電 壓，從而得到厚度與迀移率的關(guān)系圖。根據(jù)P-F方程，擴(kuò)大電場(chǎng)范圍，得到在500(V/cm) 1/2電 場(chǎng)、200nm厚度下，有一個(gè)交點(diǎn)。假設(shè)界面厚度比例為l-10nm，在500(V/cm)V2電場(chǎng)下，做出不 同界面厚度比例與迀移率的關(guān)系。
[0032] 導(dǎo)納模型：
[0033]考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的單層器件，如圖1，陽(yáng)極和陰極之間為待測(cè)有機(jī)半導(dǎo)體，稱為有機(jī) 層。為了方便建立理論模型，我們作以下假設(shè):第一，陽(yáng)極與有機(jī)層界面為歐姆接觸;第二， 有機(jī)層與陰極界面為電子阻擋層;第三，不考慮有機(jī)層陷阱。本假設(shè)基于測(cè)量空穴迀移率， 對(duì)于測(cè)量電子迀移率時(shí)有類似要求。
[0034] 如圖1，在器件兩端加上正向直流偏壓Vd。，在Vdc的作用下，空穴由陽(yáng)極注入，并且 向陰極運(yùn)動(dòng)。固定Vdc不變，再在器件上加一個(gè)頻率f= ω/2π的交流小信號(hào)vac； = Vmsin( cot)， 將產(chǎn)生一個(gè)小交流電流信號(hào)iac； = ImSin( ω t+θ)，其中Θ為電流和電壓信號(hào)的相位差。阻抗
[0035] Ζ( ω ) =vac/iac= 1/(G+iB) = 1/(G+i ω C) (1.1)
[0036] 現(xiàn)我們從基本公式出發(fā)，推導(dǎo)半導(dǎo)體器件的阻抗Z。由于器件結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面的幾 何圖形，所以，我們認(rèn)為所有的物理量都只依賴于一維空間變量X。在空間電荷限制電流 (SCLC)的情況下，有泊松公式和電流密度方程：
[0037] (1.2) q -ex
[0038] qp{xJ)M{t)E(:<J) + edE{X,t) = J(t) (1..3)
[0039] 其中，E(x，t)為有機(jī)層的電場(chǎng)強(qiáng)度，P(x，t)為空穴密度，y(t)為空穴迀移率，ε為有 機(jī)材料的介電常數(shù)，q為單位電荷量。
[0040] 添加交流小信號(hào)后，電場(chǎng)強(qiáng)度、空穴密度、電流密度可以分開寫成直流和交流兩部 分，如下： E(x,t) = Eik (xj) + e(xj)
[0041 ] ρ(.γ,/) ^ ριΙ: (x,t) + i9(x,t) (1.4) +./(0
[0042] 在SCLC條件下，我們有著名的莫托-古奈方程：
[0043] J TFSCLC ~ 〔1..5)
[0044] 又有關(guān)系式 ￡
[0045] μ?￡ = -^- (丄 6) ^d'c ^dc
[0046] 聯(lián)合以上五式，解得交流電流密度為：
[0047] ./'(/) = εμ(?)ΕΑ {x)de^t'> + qju(t)e(x,t)p!k(x) + & 占卞''). (1...7) OX ot
[0048] 對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，并由阻抗公式Z( ω ) = vac/iac = l/(G+iB) = l/(G+i ω C) 得器件的阻抗為： m、~(2/[0.7故域-/4Ω,祕(mì)(Ω)]丨十 1.私(Ω)Ω-/Ω\ η
[0049] Ζ(Ω) = ^7( ^ :) (1:.8) (0.1)
[0050]其中，A為器件的有效面積;d為有機(jī)層厚度；Ω為標(biāo)準(zhǔn)化頻率，定義為Ω =23TfTdc = ω Tdc; $(Ω)為標(biāo)準(zhǔn)化迀移率，定義為/7(Ω) ; Tdc、ydc分別為只有直流偏壓時(shí)的空 穴迀移時(shí)間和空穴迀移率。
[0051] 為了描述無(wú)序半導(dǎo)體的載流子輸運(yùn)性質(zhì)，根據(jù)Scher和Montrol(SM)理論，引入色 散參數(shù)Μ、α，標(biāo)準(zhǔn)化迀移率寫為
[0052] Ji{Q) = μ(<Λ)： μ. =\+Μ{iQ.)' (1,9)
[0053] 對(duì)于無(wú)色散半導(dǎo)體，Μ = 0，α = 1。
[0054] 根據(jù)公式（1.8)、（1.9)可以擬合阻抗虛部ImZ、阻抗實(shí)部ReZ。
[0055] 具體步驟：
[0056] (1)制備測(cè)量迀移率的多個(gè)厚度(50nm-800nm)下的單載流子器件，即在處理好的 ΙΤ0玻璃上依次蒸鍍待測(cè)樣品NPB(TPD)和Ag電極，如圖摘要附圖所示；
[0057] (2)對(duì)器件施加小交流電壓信號(hào)，振幅為25mV，頻率范圍為20~106Hz，并加載在1 ~10V正向直流偏壓，測(cè)量器件的阻抗虛部ImZ和實(shí)部ReZ;
[0058] (3)粒子群算法擬合阻抗的虛部ImZ和實(shí)部ReZ，得出載流子迀移時(shí)間Tdc，進(jìn)而根據(jù) 公式Μ = (12/(τ(^ν)計(jì)算出不同厚度下載流子迀移率μ<!。，做出厚度以迀移率的關(guān)系圖，如圖 2；
[0059] (4)XRD實(shí)驗(yàn)排除薄膜表面形貌與結(jié)晶對(duì)迀移率的影響，如圖3;
[0060] (5)對(duì)圖1，根據(jù)P-F方程，擴(kuò)大電場(chǎng)范圍，得到更多種厚度下的迀移率，并在500(V/ cm)V2電場(chǎng)，200nm厚度下有個(gè)交點(diǎn)，如圖4。假設(shè)界面厚度為l-10nm，在500(V/cm)V2電場(chǎng)，分 別做出幾種厚度下的界面厚度比例與迀移率的關(guān)系，如圖5。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種阻抗譜法確定有機(jī)半導(dǎo)體厚度依賴的遷移率方法，其特征是該方法在小信號(hào)擾 動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論模型； 步驟1.制備測(cè)量遷移率的多個(gè)厚度在50nm-800nm中的單載流子器件，結(jié)構(gòu)為：陽(yáng)極/有 機(jī)層/陰極;測(cè)量空穴遷移率時(shí)要求陽(yáng)極與有機(jī)層界面為歐姆接觸、有機(jī)層與陰極界面阻擋 電子，測(cè)量電子遷移率時(shí)要求陽(yáng)極與有機(jī)層界面阻擋空穴、有機(jī)層與陰極為歐姆接觸； 步驟2.對(duì)器件施加小交流電壓信號(hào)，振幅為25mv，頻率范圍為20~106Hz，并加載在1~ 10V正向直流偏壓，測(cè)量器件的阻抗虛部ImZ和實(shí)部ReZ; 步驟3.采用粒子群算法擬合阻抗的虛部ImZ和實(shí)部ReZ，得出載流子遷移時(shí)間Tdc，進(jìn)而 根據(jù)公式y(tǒng)dE = d2/(TdEV)計(jì)算出不同厚度下載流子遷移率μ<ι。，做出厚度與遷移率的關(guān)系圖， 步驟4.晶體衍射實(shí)驗(yàn)XRD排除薄膜表面形貌與結(jié)晶對(duì)遷移率的影響， 步驟5.根據(jù)化ole-Frenkel方程，擴(kuò)大電場(chǎng)范圍，得到更多種厚度下的遷移率，并在500 (V/cm)i/2電場(chǎng)，200nm厚度下有個(gè)交點(diǎn)，在界面厚度為1-lOnm，在500(V/cm)i/2電場(chǎng)，分別做 出幾種厚度下的界面厚度比例與遷移率的關(guān)系。2. -種如權(quán)利要求1所述的阻抗譜法確定有機(jī)半導(dǎo)體厚度依賴的遷移率方法，其特征 在于所述在小信號(hào)擾動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論模型，是建立單載流 子注入、無(wú)陷阱時(shí)的理論模型：其中，Ω = 2村Tdc= wTdc，戶(巧=/i(巧/齡=1·ΗΜ(/Ω廣。，Ω為標(biāo)準(zhǔn)化頻率，八(巧為標(biāo) 準(zhǔn)化遷移率;Tdc、yd。分別為只有直流偏壓時(shí)的空穴遷移時(shí)間和空穴遷移率，Ζ為器件阻抗;A 為器件的有效面積，d為有機(jī)層厚度，ε為待測(cè)有機(jī)半導(dǎo)體的介電常數(shù)，i為虛數(shù)單位。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于阻抗譜法確定有機(jī)半導(dǎo)體厚度依賴的遷移率方法。在小信號(hào)擾動(dòng)下，基于空間電荷限制電流理論SCLC，建立理論阻抗(導(dǎo)納)模型。制備不同厚度下的單層載流子器件，測(cè)試、擬合阻抗實(shí)部和虛部，得到有機(jī)半導(dǎo)體材料的遷移率μ，厚度越厚，遷移率越大。最后從λTrap界面陷阱自由能的角度解釋遷移率與厚度的關(guān)系，即dG＝λTrap.dA。發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：(1)直接測(cè)量實(shí)際器件中有機(jī)半導(dǎo)體的載流子遷移率，能真實(shí)反映有機(jī)半導(dǎo)體的輸運(yùn)性能，如色散參數(shù)；(2)與傳統(tǒng)的TOF技術(shù)相比，能夠節(jié)約成本：TOF要求有機(jī)半導(dǎo)體的厚度要達(dá)到微米級(jí)，對(duì)于許多新材料而言，代價(jià)十分昂貴；(3)從界面陷阱自由能的角度解釋界面厚度比例對(duì)遷移率影響，更簡(jiǎn)潔和具有說服力。
【IPC分類】G01N27/02
【公開號(hào)】CN105548267
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610025150
【發(fā)明人】唐超, 翟文娟, 竇國(guó)生, 徐慧, 邱少亞, 劉瑞蘭, 戎舟, 姜兵, 龐宗強(qiáng), 黃維
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年1月13日