測量有機半導體狀態密度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于有機半導體器件的技術領域，尤其涉及一種測量有機半導體狀態密度 的方法。
【背景技術】
[0002] 有機半導體材料具有柔性、透明、低成本、可大面積制造等優點，具有廣闊的應用 前景。過去20年里，有機半導體材料取得了巨大的進展，各種基于有機半導體材料的器件 不斷涌現，例如有機薄膜晶體管、有機太陽能電池、有機場效應晶體管等。
[0003] 在有機半導體領域中，電荷傳輸特性對于有機半導體器件性能起決定性作用，而 決定電荷傳輸特性的關鍵因素是能譜，也被稱為狀態密度（Density of states，簡稱DOS)。 在統計力學和凝聚態物理中，狀態密度或態密度為某一能量附近每單位能量區間里微觀狀 態的數目。對于具有完整規則晶體結構的材料，其狀態密度可以通過第一性原理計算獲得， 但是，對于非晶態的有機半導體材料，目前唯一的方法是通過比較實驗并使用經驗的DOS 方法進行擬合得到其狀態密度。
【發明內容】
[0004] 由上所述，本發明的目的在于根據對相關研宄領域現狀的分析，基于材料變溫下 的賽貝克系數的值及載流子的躍迀理論，提出一種探測有機半導體材料狀態密度的方法， 此方法操作簡單，可廣泛應用于各種具有非晶態結構的有機半導體材料。
[0005] 為此，本發明提供了一種測量有機半導體材料狀態密度的方法，包括：步驟1，測 量有機半導體材料的賽貝克系數；步驟2,基于有機半導體材料的特征，選擇一種狀態密度 函數；步驟3,通過滲流理論計算有機半導體材料的賽貝克系數值；步驟4,提取材料的狀態 密度寬度；步驟5,提取有機半導體材料的狀態密度。
[0006] 其中，步驟1進一步包括步驟：使用四端接觸法測量有機半導體材料的電阻值； 將測得電阻值轉換成有機半導體材料的溫度值；測量熱電壓；采用公式S = Λν/ΛΤ計算 有機半導體材料的賽貝克系數，其中AV是熱電壓的變化值，ΛΤ是溫度變化值。
[0007] 其中，通過使用步進溫度掃描法和在等溫條件下測量獲得的電阻值對溫度值進行 校正。
[0008] 其中，步驟2的狀態密度函數為公式⑴表示的高斯狀態密度函數 M E2 g(E) = ^-r^V(--^) (1)，其中，Nt表示單位體積的狀態數量，E表示歸一化后的 能量，σ?= 0/kBT表示狀態密度的寬度，kB表示玻爾茲曼常數。
[0009] 其中，步驟3進一步包括：
[0010] 根據滲流理論，Peltier系數Π通過下式（3)計算獲得：
[0011] Π = / EiP (E^dEi, (3)，
[0012] 式中P(Ei)表示能量空間中一個具有能量Ei位置的概率，可以通過下式（4)獲得
【主權項】
1. 一種測量有機半導體材料狀態密度的方法，包括： 步驟1，測量有機半導體材料的賽貝克系數； 步驟2,基于有機半導體材料的特征，選擇一種狀態密度函數； 步驟3,通過滲流理論計算在選定狀態密度函數下有機半導體材料的賽貝克系數值； 步驟4,提取材料的狀態密度寬度； 步驟5,根據狀態密度寬度提取有機半導體材料的狀態密度。
2. 如權利要求1的方法，其中，步驟1進一步包括步驟： 使用四端接觸法測量有機半導體材料的電阻值； 將測得電阻值轉換成有機半導體材料的溫度值T; 測量熱電壓V; 采用公式S=AV/AT計算有機半導體材料的賽貝克系數，其中AV是熱電壓的變化 值，AT是溫度變化值。
3. 如權利要求2的方法，其中，通過使用步進溫度掃描法和在等溫條件下測量獲得的 電阻值對溫度值進行校正。
4. 如權利要求1的方法，其中，步驟2的狀態密度函數為公式⑴表示的高斯狀態密度
，其中，Nt表示單位體積的狀態數量，E表示歸一化 后的能量，〇/kBT表示狀態密度的寬度，kB表示玻爾茲曼常數。
5. 如權利要求4的方法，其中，步驟3進一步包括： 根據滲流理論，Peltier系數n通過下式（3)計算獲得：n= /EjP(Ej)dEi(3)， 式中P(Ei)表示能量空間中一個具有能量￡1位置的概率，可以通過下式（4)獲得
式中g(Ei)表示單位體積的狀態密度，Em表示最大的位能，PjZ^Ei)表示來自位能Ei第二小的電阻概率，其值小于最大電阻值，可通過下式（5)計算獲得， P^ZjEi) = 1-exp[-P(ZjEi) ] [l+P(Zm|Ei)] (5)， 上式中PGmlEi)表示帶的密度； 根據Kelvin-Onsager關系，通過把公式（1)、（3)、（4)、（5)代入以下公式（2)則可計 算出理論的賽貝克系數值：
式中n為公式（3)的Peltier系數，T為溫度。
6. 如權利要求5的方法，其中，PG^lEi)值可通過聯立解以下公式（6)、（7)和（8)得 到
P(Zm |Ei) = / 4JrRi/g(Ei)g(Ej)dRijdEidEj0 (S^S^.) (7) P(ZJEi) =BCPS =BcJg(E)dE0(SckBT-1E-EfI) (8) 其中，a表示晶格常數的倒數，&表示位置i和位置j的空間距離，示費米能級，EJPI分別表示位置i和位置j的能量，kB表示波爾茲曼常數，B。表示滲流參數（一般為 2. 8)，T為溫度，g(E)為高斯狀態密度，S為賽貝克系數。
7. 如權利要求1的方法，其中，步驟4進一步包括： 選擇合適的狀態密度的寬度值〇 ; 通過改變溫度T的大小模擬計算出材料隨載流子濃度變化的賽貝克系數值S; 將步驟3計算出的不同溫度下的賽貝克系數理論值與步驟1測得的實驗值相進行比 較； 如果理論值與實驗值相對誤差值小于5%，則所選擇的〇值為有機半導體材料的狀態 密度的寬度，如果理論值與實驗值的誤差大于5%，需重新選擇〇值并重新計算不同溫度 下賽貝克系數值，重復以上步驟直至理論值與實驗值相對誤差值小于5%。
8. 如權利要求4的方法，其中，將步驟4獲得的狀態密度寬度〇、單位體積的狀態數量 Nt和溫度T代入公式（1)得到有機半導體材料的狀態密度。
【專利摘要】一種測量有機半導體材料狀態密度的方法，包括：步驟1，測量有機半導體材料的賽貝克系數；步驟2，基于有機半導體材料的特征，選擇一種狀態密度函數；步驟3，通過滲流理論計算有機半導體材料的賽貝克系數值；步驟4，提取材料的狀態密度寬度；步驟5，提取有機半導體材料的狀態密度。依照本發明的測量有機半導體狀態密度的方法，基于材料變溫下的賽貝克系數的值及載流子的躍遷理論，通過理論與實驗相結合的方法探測有機半導體材料的狀態密度，為分析有機半導體材料的微觀物理機制提供理論指導，可以直接用于分析有機半導體材料的載流子輸運特性，從而為制造高性能的有機半導體器件提供指導。
【IPC分類】G01R27-00
【公開號】CN104777359
【申請號】CN201510228253
【發明人】盧年端, 李泠, 劉明
【申請人】中國科學院微電子研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年5月7日