En este trabajo, utilizamos una combinación de técnicas experimentales y cálculos teóricos para investigar cómo los electrones protegen las trampas de carga inducidas por oxígeno en semiconductores orgánicos. Mostramos que los electrones pueden formar una nube alrededor de las moléculas de oxígeno, lo que les impide atrapar portadores de carga. Este efecto de detección es más fuerte en materiales con alta movilidad electrónica y puede mejorarse aumentando la concentración de dopaje.
Nuestros hallazgos proporcionan nuevos conocimientos sobre la física del transporte de carga en semiconductores orgánicos y sugieren estrategias para mejorar la conductividad de estos materiales. Esto podría conducir al desarrollo de células solares orgánicas, diodos emisores de luz y otros dispositivos optoelectrónicos más eficientes.
Introducción
Los semiconductores orgánicos son una clase de materiales que tienen propiedades eléctricas similares a las de los semiconductores inorgánicos, pero están compuestos de moléculas orgánicas en lugar de átomos. Esto los hace mucho más versátiles que los semiconductores inorgánicos y pueden procesarse en películas delgadas utilizando técnicas basadas en soluciones. Esto los hace ideales para su uso en una variedad de aplicaciones, como células solares, diodos emisores de luz y transistores.
Sin embargo, el rendimiento de los semiconductores orgánicos suele verse limitado por la presencia de impurezas y defectos. Estos pueden atrapar portadores de carga, lo que reduce la conductividad del material. Uno de los asesinos de la conductividad más comunes en los semiconductores orgánicos es el oxígeno, que puede difundirse fácilmente en el material y formar trampas de carga.
En este trabajo, utilizamos una combinación de técnicas experimentales y cálculos teóricos para investigar cómo los electrones protegen las trampas de carga inducidas por oxígeno en semiconductores orgánicos. Mostramos que los electrones pueden formar una nube alrededor de las moléculas de oxígeno, lo que les impide atrapar portadores de carga. Este efecto de detección es más fuerte en materiales con alta movilidad electrónica y puede mejorarse aumentando la concentración de dopaje.
Técnicas experimentales
Utilizamos una variedad de técnicas experimentales para investigar la detección de trampas de carga inducidas por oxígeno en semiconductores orgánicos. Estas técnicas incluyeron:
* Espectroscopia de fotoluminiscencia (PL): La espectroscopia PL se puede utilizar para medir la emisión de luz de un material semiconductor. La intensidad de la emisión de PL es proporcional al número de portadores de carga libres en el material. Por lo tanto, la espectroscopia PL se puede utilizar para investigar cómo el oxígeno afecta la cantidad de portadores de carga libres en un semiconductor orgánico.
* Perfil de capacitancia-voltaje (C-V): El perfil C-V se puede utilizar para medir las propiedades eléctricas de un material semiconductor. La capacitancia de un material semiconductor es proporcional al número de portadores de carga libres en el material. Por lo tanto, el perfil C-V se puede utilizar para investigar cómo el oxígeno afecta la cantidad de portadores de carga libres en un semiconductor orgánico.
* Medidas de movilidad: Las mediciones de movilidad se pueden utilizar para medir la velocidad de deriva de los portadores de carga en un material semiconductor. La movilidad de los portadores de carga es proporcional al número de portadores de carga libres en el material. Por lo tanto, las mediciones de movilidad se pueden utilizar para investigar cómo el oxígeno afecta la cantidad de portadores de carga libres en un semiconductor orgánico.
Cálculos teóricos
También realizamos cálculos teóricos para investigar la detección de trampas de carga inducidas por oxígeno en semiconductores orgánicos. Estos cálculos se basaron en la teoría funcional de la densidad (DFT). DFT es un método computacional que se puede utilizar para calcular la estructura electrónica de materiales. Usamos DFT para calcular los niveles de energía de las moléculas de oxígeno en un semiconductor orgánico. También calculamos la densidad de carga alrededor de las moléculas de oxígeno. Estos cálculos nos permitieron comprender cómo los electrones protegen contra las trampas de carga inducidas por el oxígeno.
Resultados y Discusión
Nuestros resultados experimentales y teóricos muestran que los electrones pueden formar una nube alrededor de las moléculas de oxígeno en un semiconductor orgánico. Esta nube de electrones impide que las moléculas de oxígeno atrapen a los portadores de carga. Este efecto de detección es más fuerte en materiales con alta movilidad electrónica y puede mejorarse aumentando la concentración de dopaje.
La siguiente figura muestra la densidad de carga alrededor de una molécula de oxígeno en un semiconductor orgánico. Las regiones rojas representan áreas de alta densidad electrónica, mientras que las regiones azules representan áreas de baja densidad electrónica. Como puede verse, los electrones forman una nube alrededor de la molécula de oxígeno. Esta nube de electrones impide que la molécula de oxígeno atrape a los portadores de carga.
[Imagen de la densidad de carga alrededor de una molécula de oxígeno en un semiconductor orgánico]
El efecto de apantallamiento de los electrones contra las trampas de carga inducidas por el oxígeno es un factor importante para determinar la conductividad de los semiconductores orgánicos. Al comprender este efecto, podemos desarrollar estrategias para mejorar la conductividad de los semiconductores orgánicos. Esto podría conducir al desarrollo de células solares orgánicas más eficientes,
