CN101865871A - 一种基于肖特基接触iv分析的有机薄膜迁移率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量有机薄膜电荷载流子迁移率的方法。本发明的特征是先制备一系列厚度不同的结构为“电极-有机薄膜-电极”的单载流子传输器件样品，这些样品通常呈肖特基接触；然后测量每个样品的电流电压曲线-IV曲线；最后根据肖特基接触单载流子器件的电流传导数值模型，以有机薄膜的迁移率、总陷阱密度和陷阱分布的特征深度为调节参数拟合所测量的所有器件样品的IV曲线，从而确定有机薄膜的迁移率、总陷阱密度和陷阱分布的特征深度。

Description

一种基于肖特基接触IV分析的有机薄膜迁移率测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量有机薄膜载流子迁移率的方法，属于测量与仪器技术领域。本发明可应用于有机薄膜材料漂移迁移率测量及其它输运特性的研究。

背景技术

有机薄膜材料由于成本低，质量轻、制备工艺简单，可实现大面积柔性器件等优点而广泛应用于发光二极管、太阳能电池和光电探测器等有机光电子器件中。载流子迁移率是有机薄膜材料的一个非常重要的参数，它直接影响了有机光电子器件的性能。要使有机薄膜材料能达到实用水平，迁移率必须要达到一定的范围。因此，对其载流子迁移率的测量是非常重要的。由于有机薄膜中载流子迁移率相对较低，用于测量无机晶体半导体材料载流子迁移率的诸多方法对有机薄膜均不适用。截至目前，测量有机薄膜材料载流子的漂移迁移率的方法主要有以下几种：分别是电荷消散法、瞬间电流法、飞行时间法和空间电荷限制电流法。

电荷消散法是利用表面电位的衰减速度来进行载流子迁移率的测量。适用条件是表面电位的衰减源于外部注入的电荷，并忽略载流子陷阱。

瞬态电流法是建立在瞬态空间电荷限制电流-SCLC理论基础上，通过分析表面层被非均匀激发的瞬态电流从而得到载流子的迁移率。瞬间电流法的特点是峰值时间只与所施加的电压以及两电极之间的距离有关而与陷阱中心无关，因此可忽略深陷阱和主要由复合衰减引起的载流子漂移。但它的缺点是难以确定载流子的穿透深度。

空间电荷限制电流指的是当单位时间内注入的自由电荷数目比介质单位时间能够传递的电荷数目多时，注入将被限制，此特性常常出现在电荷迁移率低的材料中；当偏置电压较小时，注入的载流子束缚于陷阱当中，载流子的迁移率非常低。当偏置电压增加时，电流J和电压V的关系呈J∝V^m。当注入的载流子足够多时，所有陷阱被填充，此时的传输电流变为空间电荷限制电流，电流密度由SCLC方程J＝9e₀e_rμV²/8d³确定，这里e₀是真空介电常数。因此，在已知材料厚度d和相对介电常数e_r的情况下，通过测量该材料的J～V曲线，即可由上式求到材料的迁移率μ。SCLC法主要适用于稳态电流下比较薄的有机膜，要求有机层与电极接触为欧姆接触。不足之处是如果电极处存在接触势垒或体内有较多的陷阱会引起测试的不确定性。

飞行时间法测量载流子穿过样品膜层的漂移时间。它利用有机薄膜材料的光电导性质，通过测量样品的光生载流子在外加电场下穿越样品的时间，再根据迁移率与外电场、载流子漂移速度的关系来计算出材料的载流子迁移率：μ＝d/t_τF。其中，d为有机薄膜样品的厚度，t_t为飞行时间，F为电场强度。

飞行时间法虽然精度高，可获得除载流子迁移率外的更多信息；但是它的设备非常昂贵。并且要求较高，如载流子形成时间远小于载流子的渡越时间，载流子形成层厚度要远小于有机材料的厚度，并且在有机薄膜内要形成均匀电场等，以及在样品内产生足够多的载流子，其中一个电极必须是透明或半透明的。

发明内容

为了克服空间电荷限制电流法测试载流子迁移率必须是欧姆接触的缺点，本发明解决了在肖特基接触下测量有机薄膜载流子迁移率的问题。由于很多金属材料的功函数与有机薄膜材料的能级不匹配，因此有机单层器件通常呈肖特基接触。本发明以电极-有机薄膜-电极的薄膜器件的单载流子传输理论为基础，综合考虑了有机薄膜器件中各种载流子传输机制的影响，对测量的器件IV特性进行数值拟合，从而推算出该器件中载流子迁移率、陷阱浓度、陷阱分布的特征陷阱深度等参数。这里有机薄膜包括小分子非晶、多晶和晶体薄膜，以及聚合物非晶、多晶和晶体薄膜。

附图说明

图1是器件样品的“电极-有机薄膜-电极”结构示意图。

图2是下电极为一个整体平面，而上电极为相互隔开的小矩形的器件示意图。

图3是上下电极均为多个平行的条形的器件结构示意图。

具体实施方式

1.制备一系列不同厚度的结构为“电极-有机薄膜-电极”的电子传输器件样品，器件的两个电极均为低功函数金属薄膜如Al，Ag，Ca，Mg、金属-无机复合薄膜如LiF/Al，两个电极至少有一个是肖特基接触，并测量它们的IV特性曲线。

2.制备一系列不同厚度的结构为“电极-有机薄膜-电极”的空穴传输器件样品，器件的两个电极均为功函数比较高的金属薄膜如Au，Pt、导电金属氧化物如ITO、ZnO、金属-有机复合薄膜如ITO/PEDOT:PSS或导电聚合物，两个电极至少有一个是肖特基接触，并测量它们的IV特性曲线。

3.器件的主要制备步骤是：(1)在玻璃、石英或SiO2等衬底上用真空蒸发、溅射等方法借助掩膜版制备薄膜电极-下电极，或直接采用商业导电玻璃上的透明导电薄膜作为下电极；(2)用真空蒸发-对小分子材料或旋涂-对聚合物在下电极上制备有机薄膜；(3)在有机薄膜上用真空蒸发、溅射等方法借助掩膜版制备薄膜上电极。上电极与下电极要相互对应。即当下电极呈多个平行的条形时，下电极亦应呈多个平行条形，且方向与下电极垂直；当下电极为一个整体平面时，上电极应呈多个互相隔离的矩形或圆形小平面。

4.电极-有机薄膜界面电流注入以热电子发射和量子遂穿为理论基础，有机薄膜体内电流传导则主要考虑陷阱电荷限制和空间电荷限制传导机制，其陷阱能量分布包括单能级、多能级、指数分布及其它可能的分布形式。根据电流传导的连续性原理、漂移扩散理论、泊松方程建立器件电流传导的数值模型。下面是以具有指数分布陷阱的空穴传输有机薄膜材料为例说明数值模型的建立方法。对于指数分布的空穴陷阱，在陷阱能量E_t处单位能量间隔，单位体积内的陷阱态数量g_t(E_t)表示为

$g_t\left(E_t\right)=\frac{H_t}{E_{\mathrm{tc}}}{e}^{-\frac{E_t}{E_{\mathrm{tc}}}}---\left(1\right)$

上式中H_t、和E_tc分别是总陷阱态密度和特征陷阱深度。通常有机薄膜的厚度为数百纳米，而其横向线宽为几毫米，即厚度通常比线宽小四个数量级，因此电荷载流子在有机薄膜中的运动可视为沿电场方向(垂直与薄膜平面)的一维运动。分别用p_f和p_t表示自由空穴浓度和陷阱空穴浓度，根据泊松方程和漂移扩散理论，在有机薄膜中电流密度J_b和电场强度F通过下面的方程联系起来：

$\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{dx}}=\frac{\mathrm{qp}}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}$ (泊松方程)，                            (2)

$J_b={\mathrm{q\μp}}_{f}F-\mathrm{Dq}\frac{{\mathrm{dp}}_f}{\mathrm{dx}},---\left(3\right)$

$D=\frac{{\mathrm{\μk}}_{B}T}{q}$ (爱因斯坦关系).                         (4)

$p_f=N_0{\left(\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}{H_t\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}\right)}^l{p}^l---\left(5\right)$

这里有机薄膜中位置坐标x的原点定义在阳极-有机薄膜界面处。μ、D和T分别是迁移率、扩散系数和温度；q、kB、e₀和e_r分别是电子电荷、玻尔兹曼常数、真空介电常数和有机薄膜的相对介电常数。N₀是有机薄膜的总态密度。l是约化特征陷阱深度，定义为l＝E_tc/k_BT。在电极-有机薄膜界面处注入的电流密度J_inj为

$J_{\mathrm{inj}}={4\mathrm{\ψ}}^2{N}_0\mathrm{q\μ}{F}_0{e}^{-\frac{\mathrm{\φ}}{k_{B}T}}{e}^{\sqrt{f}}+\frac{C}{\mathrm{\φ}}{F_0}^2{e}^{-\frac{{\mathrm{B\φ}}^{\frac{3}{2}}}{F_0}}---\left(6\right)$

其中第一项和第二项分别是热电子发射电流密度和量子遂穿电流密度。上式中Φ和F₀分别是电极-有机薄膜界面处的肖特基势垒和电场强度，f是约化电场强度，定义为

$f=\frac{q^3{F}_0}{{4\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r{\left(k_{B}T\right)}^2},---\left(7\right)$

ψ是随f缓慢变化的函数：

$\mathrm{\ψ}=f^{-1}+f^{-\frac{1}{2}}-f^{-1}{(1+2f^{\frac{1}{2}})}^{\frac{1}{2}}.---\left(8\right)$

C和B是常数其值为：

$C=\frac{{2.2q}^3}{8\mathrm{\πh}}$

$B=\frac{8\mathrm{\π}\sqrt{2m}}{2.96\mathrm{hq}}$

上式中h和m分别为普朗克常数和电子质量。由电流的连续性有：

J_inj＝J_b                            (9)

用数值方法求解方程(1)至(9)即可得到电流电压曲线。

对于单能级陷阱，多能级陷和其它分布形式的陷阱，可用类似方法处理。

5.以迁移率，总陷阱密度和陷阱分布特征深度为调节参数对测量的器件IV曲线进行数值拟合，从而确定材料的迁移率，陷阱密度和特征陷阱深度。

Claims (10)

1.一种基于肖特基接触的结构为电极-有机薄膜-电极Electrode-organic thinfilm-electrode-EOTFE的器件电流电压-IV特性分析的有机薄膜迁移率测量方法，该方法的主要步骤是：首先制备一系列不同厚度的电子传输EOTFE器件；其次制备一系列不同厚度空穴传输EOTFE器件；然后测量每个样品的IV特性曲线；最后根据肖特基接触单载流子器件的数值模型，以有机薄膜的迁移率、总陷阱密度和陷阱分布的特征陷阱深度为调节参数拟合所测量的所有器件样品的IV特性曲线，从而确定有机薄膜的迁移率、总陷阱密度和特性陷阱深度。

2.权利要求1所述的测量方法，其特征在于，电子传输EOTFE器件的两个电极均为低功函数金属薄膜如Al，Ag，Ca，Mg等、金属-无机复合薄膜如LiF/Al等。

3.权利要求1所述的测量方法，其特征在于，空穴传输EOTFE器件的两个电极均为功函数比较高的金属薄膜如Au，Pt、导电金属氧化物如ITO、ZnO、金属-有机复合薄膜如ITO/PEDOT或导电聚合物。

4.权利要求1所述的测量方法，其特征在于，EOTFE器件的两个电极至少有一个是肖特基接触。

5.权利要求1所述的测量方法，其特征在于，有机薄膜包括小分子非晶、多晶和晶体薄膜，以及聚合物非晶、多晶和晶体薄膜。

6.权利要求1所述的测量方法，其特征在于，EOTFE器件的有机薄膜厚度远远小于其线宽，电荷载流子的运动可视为垂直于薄膜平面的一维运动。

7.权利要求1所述的方法，其特征在于，肖特基接触单载流子器件的数值模型由电极-有机界面的电流注入机制和体电流限制机制两部分组成；这两部分通过电流连续性方程，即从电极-有机界面注入的电流等于流过薄膜体内的电流，联系起来。

8.权利要求1所述的测量方法，其特征在于，界面的电流注入机制包含热电子发射和量子隧穿效应。

9.权利要求7中的体电流限制机制，其特征在于，包括空间电荷限制和陷阱电荷限制机制。

10.权利要求9中的陷阱，其特征在于，其能量分布包括单能级、多能级、指数分布及其它可能的分布形式。

Images