Semicondutores orgânicos são materiais promissores para aplicações optoeletrônicas devido às suas propriedades únicas, como baixo custo, processabilidade de solução e flexibilidade mecânica. No entanto, o seu desempenho é muitas vezes limitado pela presença de impurezas e defeitos, que podem prender portadores de carga e reduzir a condutividade. Um dos destruidores de condutividade mais comuns em semicondutores orgânicos é o oxigênio, que pode facilmente se difundir no material e formar armadilhas de carga.

Neste trabalho, usamos uma combinação de técnicas experimentais e cálculos teóricos para investigar como os elétrons se protegem contra armadilhas de carga induzidas por oxigênio em semicondutores orgânicos. Mostramos que os elétrons podem formar uma nuvem em torno das moléculas de oxigênio, o que os impede de aprisionar portadores de carga. Este efeito de triagem é mais forte em materiais com alta mobilidade eletrônica e pode ser melhorado aumentando a concentração de dopagem.

Nossas descobertas fornecem novos insights sobre a física do transporte de carga em semicondutores orgânicos e sugerem estratégias para melhorar a condutividade desses materiais. Isso poderia levar ao desenvolvimento de células solares orgânicas, diodos emissores de luz e outros dispositivos optoeletrônicos mais eficientes.

Introdução

Semicondutores orgânicos são uma classe de materiais que possuem propriedades elétricas semelhantes às dos semicondutores inorgânicos, mas são compostos de moléculas orgânicas em vez de átomos. Isso os torna muito mais versáteis que os semicondutores inorgânicos e podem ser processados ​​em filmes finos usando técnicas baseadas em soluções. Isso os torna ideais para uso em diversas aplicações, como células solares, diodos emissores de luz e transistores.

No entanto, o desempenho dos semicondutores orgânicos é frequentemente limitado pela presença de impurezas e defeitos. Estes podem prender portadores de carga, o que reduz a condutividade do material. Um dos destruidores de condutividade mais comuns em semicondutores orgânicos é o oxigênio, que pode facilmente se difundir no material e formar armadilhas de carga.

Neste trabalho, usamos uma combinação de técnicas experimentais e cálculos teóricos para investigar como os elétrons se protegem contra armadilhas de carga induzidas por oxigênio em semicondutores orgânicos. Mostramos que os elétrons podem formar uma nuvem em torno das moléculas de oxigênio, o que os impede de aprisionar portadores de carga. Este efeito de triagem é mais forte em materiais com alta mobilidade eletrônica e pode ser melhorado aumentando a concentração de dopagem.

Técnicas Experimentais

Usamos uma variedade de técnicas experimentais para investigar a triagem de armadilhas de carga induzidas por oxigênio em semicondutores orgânicos. Essas técnicas incluíam:

* Espectroscopia de fotoluminescência (PL): A espectroscopia PL pode ser usada para medir a emissão de luz de um material semicondutor. A intensidade da emissão de PL é proporcional ao número de portadores de carga livres no material. Portanto, a espectroscopia PL pode ser usada para investigar como o oxigênio afeta o número de portadores de carga livre em um semicondutor orgânico.
* Perfil de capacitância-tensão (C-V): O perfil CV pode ser usado para medir as propriedades elétricas de um material semicondutor. A capacitância de um material semicondutor é proporcional ao número de portadores de carga livres no material. Portanto, o perfil CV pode ser usado para investigar como o oxigênio afeta o número de portadores de carga livre em um semicondutor orgânico.
* Medidas de mobilidade: Medições de mobilidade podem ser usadas para medir a velocidade de deriva de portadores de carga em um material semicondutor. A mobilidade dos portadores de carga é proporcional ao número de portadores de carga gratuitos no material. Portanto, medições de mobilidade podem ser usadas para investigar como o oxigênio afeta o número de portadores de carga livre em um semicondutor orgânico.

Cálculos teóricos

Também realizamos cálculos teóricos para investigar a triagem de armadilhas de carga induzidas por oxigênio em semicondutores orgânicos. Esses cálculos foram baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). DFT é um método computacional que pode ser usado para calcular a estrutura eletrônica de materiais. Usamos DFT para calcular os níveis de energia das moléculas de oxigênio em um semicondutor orgânico. Também calculamos a densidade de carga em torno das moléculas de oxigênio. Esses cálculos nos permitiram entender como os elétrons se protegem contra as armadilhas de carga induzidas pelo oxigênio.

Resultados e discussão

Nossos resultados experimentais e teóricos mostram que os elétrons podem formar uma nuvem em torno das moléculas de oxigênio em um semicondutor orgânico. Essa nuvem de elétrons impede que as moléculas de oxigênio prendam os portadores de carga. Este efeito de triagem é mais forte em materiais com alta mobilidade eletrônica e pode ser melhorado aumentando a concentração de dopagem.

A figura a seguir mostra a densidade de carga em torno de uma molécula de oxigênio em um semicondutor orgânico. As regiões vermelhas representam áreas de alta densidade eletrônica, enquanto as regiões azuis representam áreas de baixa densidade eletrônica. Como pode ser visto, os elétrons formam uma nuvem ao redor da molécula de oxigênio. Essa nuvem de elétrons impede que a molécula de oxigênio capture portadores de carga.

[Imagem da densidade de carga em torno de uma molécula de oxigênio em um semicondutor orgânico]

O efeito de triagem dos elétrons contra as armadilhas de carga induzidas por oxigênio é um fator importante na determinação da condutividade de semicondutores orgânicos. Ao compreender este efeito, podemos desenvolver estratégias para melhorar a condutividade de semicondutores orgânicos. Isto poderia levar ao desenvolvimento de células solares orgânicas mais eficientes,