Раскрыт общий дефект в органической электронике

Исследователями Университета Гронингена и Института Технологии Джорджиив был раскрыт общий механизм, лежащий в основе ловушек зарядов в органической электронике и ведущий к теоретическим основам улучшенной молекулярной электроники, OLED и органических фотоэлементов. Во время прохождения через полупроводники, часть электронов попадает в ловушки зарядов, и более не могут использоваться – например, понижая эффективность OLED.

«Этот процесс-ловушка значительно снижает поток электронов и смещает место, где электроны превращаются в фотоны, от центра устройства», сообщает команда ученых из Университета Гронингена и Института Технологии Джорджии. Несмотря на то, что предлагались различные механизмы для объяснения подобных ловушек, никто точно не знал об их природе. «Мы начали решать эту головоломку со сравнения свойств этих ловушек в девяти различных полимерах. Сравнение показало, что ловушки во всех материалах имею очень похожий энергетический уровень», заявил Николай Герман, автор первого исследования данного предмета в природных материалах («Стандартизация ограниченного ловушками переноса электронов в полупроводящих полимерах»). Georgia Tech group, возглавляемая Жаном-Люком Бредасом, смоделировала электронные структуры в большом количестве вариаций возможных ловушек. «Благодаря вычислениям, мы обнаружили, что энергетический уровень ловушек, измеренный экспериментально соответствует производимому комплексом вода-кислород», сообщил Бредас.

Несмотря на то, что устройства, изученные Николаем, были изготовлены в нитрогенной атмосфере, «подобный комплекс легко мог быть привнесен в процессе изготовления полупроводникового материала, даже если это происходило в контролируемых условиях. Нитроген не может предотвратить загрязнение мельчайшими количествами кислорода и воды», заявил он. Поскольку теперь известно, что ловушки имеют одинаковый энергетический уровень, можно оценить поток электронов в различных пластиковых материалах, и, возможно, создать свободные от ловушек материалы. «Энергия ловушки лежит в запрещенной зоне», сообщил Николай – зона представляет собой разницу энергии внешней электронной оболочки, в которой электроны циркулируют в своем основном состоянии, и орбитали высшего порядка, на которую они должны быть смещены, чтобы стать подвижными переносчиками заряда. Когда такой подвижный электрон попадает в ловушку в запрещенной зоне, он «провалится» из-за более низкого энергетического уровня заряда. «Но если химики смогут создать полупроводящие полимеры, в которых энергия ловушек превосходит энергию орбитали высшего порядка, в которой электроны перемещаются через материал, они не смогут провалиться. В этом случае, энергетический уровень ловушки будет выше, чем у электрона», - утверждает Николай.

Как в случае пластиковых LED, так и в случае пластиковых фотоэлементов, «захват зарядов не должен будет мешать потоку электронов. Результаты наших исследований помогут осуществить более эффективные разработки». Экспериментальная работа была проведена в Институте Прогрессивных Материалов Зерника (ZIAM) на факультете Математики и Естественных Наук, Университет Гронингена, Голландия. Теоретическая природа ловушки была обнаружена в Школе Зимии и БиоХимии и Центре Органической Фотоники и Электроники в Институте Технологии Джорджии.