新研究揭示塑料半導(dǎo)體中電荷陷阱的形成機(jī)制

標(biāo)簽：塑料半導(dǎo)體 電荷陷阱

塑料半導(dǎo)體給低成本、大批量生產(chǎn)電子器件帶來了希望，但其有一個(gè)重要的缺陷：電流會(huì)受到材料中電荷陷阱的影響。據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)7月31日(北京時(shí)間)報(bào)道，荷蘭格羅寧根大學(xué)和美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)通過最新研究揭示了隱藏在這些陷阱下的通用機(jī)制，并提供了一個(gè)理論框架來設(shè)計(jì)沒有陷阱的塑料電子器件。研究結(jié)果提前發(fā)表于《自然·材料》雜志網(wǎng)絡(luò)版。

塑料半導(dǎo)體由有機(jī)碳基聚合物制成，其含有一個(gè)可調(diào)的禁能隙。然而，電子在半導(dǎo)體中遷移時(shí)，有很多被卡在了材料中的禁能隙陷阱里，無法轉(zhuǎn)換成光，從而降低了塑料發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光效率和塑料太陽能電池的效率。

但科學(xué)家對(duì)陷阱所知甚少。“我們已經(jīng)通過比較9種不同聚合物中的陷阱的性質(zhì)來著手解決這一難題。”該研究論文首要作者、格羅寧根大學(xué)的赫爾曼·尼科萊說，“比較結(jié)果顯示，所有材料中的陷阱都具有非常相似的能級(jí)。”

由佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院教授讓-呂克·布萊德斯領(lǐng)導(dǎo)的小組用計(jì)算的方式研究了一大批可能陷阱的電子結(jié)構(gòu)。“我們通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，測(cè)量到的陷阱能級(jí)在實(shí)驗(yàn)上與水氧復(fù)合物產(chǎn)生的能級(jí)很匹配。”

尼科萊解釋說：“水氧復(fù)合物很容易在半導(dǎo)體材料的制造過程中被引入，即使我們的器件是在氮?dú)鈼l件下制造的，也無法阻止少量氧氣和水造成的污染。”

陷阱的能級(jí)與水氧復(fù)合物相似這一結(jié)果意味著，現(xiàn)在有可能估算出不同塑料材料中預(yù)期將產(chǎn)生的電流，同時(shí)，它也指明了設(shè)計(jì)不含陷阱的材料的方法。

“陷阱的能級(jí)就處于禁能隙。”尼科萊說。當(dāng)一個(gè)移動(dòng)的電子跑進(jìn)處于禁能隙的陷阱中，就會(huì)被抓住，因?yàn)橄葳宓哪芗?jí)更低。他認(rèn)為，如果化學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出陷阱能級(jí)高于電子運(yùn)動(dòng)軌道的半導(dǎo)體聚合物，電子就不會(huì)落入陷阱。

尼科萊表示，這項(xiàng)研究成果對(duì)于設(shè)計(jì)高效的塑料發(fā)光二極管和塑料太陽能電池非常重要。