新研究揭示塑料半導體中電荷陷阱的形成機制

標簽：塑料半導體 電荷陷阱

塑料半導體給低成本、大批量生產電子器件帶來了希望，但其有一個重要的缺陷：電流會受到材料中電荷陷阱的影響。據物理學家組織網7月31日(北京時間)報道，荷蘭格羅寧根大學和美國佐治亞理工學院的研究團隊通過最新研究揭示了隱藏在這些陷阱下的通用機制，并提供了一個理論框架來設計沒有陷阱的塑料電子器件。研究結果提前發表于《自然·材料》雜志網絡版。

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

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

由佐治亞理工學院化學與生物化學學院教授讓-呂克·布萊德斯領導的小組用計算的方式研究了一大批可能陷阱的電子結構。“我們通過計算發現，測量到的陷阱能級在實驗上與水氧復合物產生的能級很匹配。”

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

陷阱的能級與水氧復合物相似這一結果意味著，現在有可能估算出不同塑料材料中預期將產生的電流，同時，它也指明了設計不含陷阱的材料的方法。

“陷阱的能級就處于禁能隙。”尼科萊說。當一個移動的電子跑進處于禁能隙的陷阱中，就會被抓住，因為陷阱的能級更低。他認為，如果化學家能夠設計出陷阱能級高于電子運動軌道的半導體聚合物，電子就不會落入陷阱。

尼科萊表示，這項研究成果對于設計高效的塑料發光二極管和塑料太陽能電池非常重要。