阻抗谱法确定有机半导体厚度依赖的迁移率方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于阻抗谱(导纳谱)法研究有机半导体迀移率与厚度的关系，本 方法可以测量出表征有机半导体不同厚度下输运性能的载流子迀移率和色散参数，同时提 出界面陷阱自由能，即是界面厚度比例影响载流子的迀移率。在载流子迀移率测量中，不同 于飞行时间法需要微米级的薄膜厚度，此专利对于器件的设计与优化，材料的消耗等方面 有重要意义。
【背景技术】
[0002] 1980年以来，高效率的有机半导体器件发展迅速，越来越受到人们的关注，例如有 机发光二级管(0LED)、有机太阳能电池(0PV)、有机场效应晶体管(0FET)等。电荷载流子输 运能力是影响器件性能的关键因素之一，载流子迀移率的大小是表征电荷输运能力的一个 重要参数。掌握载流子迀移率的本质属性，就可以根据不同的要求，合成需要的有机半导体 材料，优化有机半导体器件的性能。为此，许多研究人员致力于测量有机半导体的载流子迀 移率。目前，有很多方法可以测量载流子迀移率，其中，时间飞行法(T0F)是最传统，也是最 常用的测量方法之一。但其也有自身的局限性:第一，T0F法对有机层的厚度要求很高，通常 微米级来满足激光的入射深度，这对有机半导体，尤其是许多新材料而言，代价是很昂贵 的，有时合成技术上甚至难以得到足够多的样品；第二，实际中的半导体器件如〇LED、OFET、 0PV等有机层厚度一般在100纳米以内，这与T0F法要求的厚度相差很大，T0F法测出的迀移 率不能真实代表实际有机半导体器件的迀移率;第三，T0F设备昂贵，操作复杂，测量起来受 到诸多限制；第四，又有文献报道，对于一些色散材料，T0F法无法准确测量其载流子迀移 率。
[0003]在实际的绝缘体和宽禁带半导体中，有相当数量的缺陷、杂质等不完整性，对载流 子的传输形成陷阱。陷阱可以俘获输运中的载流子，降低载流子的漂移驱动力，对器件产生 不利影响。界面陷阱的俘获作用与界面厚度有关，所以器件厚度对迀移率的影响尤为重 要。
[0004] 阻抗谱(导纳谱)法是一种以小振幅正弦波为探测信号的波谱学方法。在小信号扰 动下，基于空间电荷限制电流理论（SCLC)，建立理论模型，研究有机半导体的载流子动力 学。理论上，导纳和阻抗是倒数关系，但是阻抗值比导纳值在数值上要大。在有限的测量精 度范围内，数值越大，后续的测量误差越小，而且拟合也会越准确。一般常用的是最小二乘 法拟合，但是此方法对待辨识参数的初始值范围很敏感，初始值范围选择不合适，将导致结 果无法收敛。粒子群算法是一种多点迭代算法，它总能在所有点中找到一个最合适的，且不 需要多余的初始值信息。
【发明内容】
[0005] 技术问题:本发明的目的是提供一种基于阻抗谱(导纳谱)原理确定有机半导体厚 度依赖的迀移率方法，该方法可以测量出表征有机半导体输运性能的载流子迀移率和其色 散参数，同时提出界面陷阱自由能，即是界面厚度比例影响载流子的迀移率。在载流子迀移 率测量中，不同于飞行时间法需要微米级的薄膜厚度。
[0006] 技术方案:本发明的一种阻抗谱法确定有机半导体厚度依赖的迀移率方法是在小 信号扰动下，基于空间电荷限制电流理论SCLC，建立理论模型；
[0007] 采用粒子群算法拟合阻抗的虚部ImZ和实部ReZ，得出载流子迀移时间Tdc，进而根 据公式μ<^ = (12/(τ(^ν)得到迀移率μ<!。;其中d为待测有机层厚度，V为加载在有机层上的电 压，从而得到厚度与迀移率的关系图。根据P-F方程，扩大电场范围，得到在500(V/cm) 1/2电 场、200nm厚度下，有一个交点。假设界面厚度比例为l-10nm，在500(V/cm)V2电场下，做出不 同界面厚度比例与迀移率的关系。
[0008] 该方法在小信号扰动下，基于空间电荷限制电流理论SCLC，建立理论模型；
[0009] 步骤1.制备测量迀移率的多个厚度在50nm-800nm中的单载流子器件，结构为：阳 极/有机层/阴极;测量空穴迀移率时要求阳极与有机层界面为欧姆接触、有机层与阴极界 面阻挡电子，测量电子迀移率时要求阳极与有机层界面阻挡空穴、有机层与阴极为欧姆接 触；
[0010] 步骤2.对器件施加小交流电压信号，振幅为25mv，频率范围为20~106Hz，并加载 在1~10V正向直流偏压，测量器件的阻抗虚部ImZ和实部ReZ;
[0011] 步骤3.采用粒子群算法拟合阻抗的虚部ImZ和实部ReZ，得出载流子迀移时间Tdc， 进而根据公式μ<^ = (12/(τ(^ν)计算出不同厚度下载流子迀移率μ<!。，做出厚度与迀移率的关 系图，
[0012] 步骤4.晶体衍射实验XRD排除薄膜表面形貌与结晶对迀移率的影响，
[0013] 步骤5.根据Poole-Frenkel方程，扩大电场范围，得到更多种厚度下的迀移率，并 在500(V/cm)V2电场，200nm厚度下有个交点，在界面厚度为l-10nm，在500(V/cm)V2电场，分 别做出几种厚度下的界面厚度比例与迀移率的关系。
[0014] 所述在小信号扰动下，基于空间电荷限制电流理论SCLC，建立理论模型，是建立单 载流子注入、无陷阱时的理论模型：
[0015] - '~、方哚乃勿Ω)]2-exp[-，4Ω3々 (Ω)]I +1 .:5饵-沿2) ^'' _ ' Ω'' '
[0016] 其中，Ω = 2JifT：dc = ω Tdc，只(ΩΧ:?)..7从,,=1+Μ(/?)1-，Ω 为标准化频率，#(??) 为标准化迀移率;Tdc^yd。分别为只有直流偏压时的空穴迀移时间和空穴迀移率，Ζ为器件阻 抗;Α为器件的有效面积，d为有机层厚度，ε为待测有机半导体的介电常数，i为虚数单位。
[0017] XRD是晶体衍射实验。如果晶体朝某一方向生长，XRD实验会有峰值出现，进而会影 响迀移率。本发明中，用ΙΤ0和不同厚度下的两种材料器件做对比，图形一样，即器件只显示 ΙΤ0的XRD图，说明镀的膜没有峰值，没有表现晶体生长特性，所以用此方法排除晶体生长多 迀移率影响。
[0018] P-F方程即Poole-Frenkel方程，无序有机材料中迀移率与电场强度的关系： //_=/& exp(#/^)，义()零点场迀移率，E电场强度，β迀移率前置因子。
[0019] 有益效果：
[0020] (1)本发明是直接测量有机半导体在实际器件中的载流子迀移率，能真实反映有 机半导体输运性能；
[0021] (2)本发明不仅能够测量有机半导体的载流子迀移率，而且还可以测出表征其自 身性能的色散参数；
[0022] (3)本发明与传统的T0F技术相比，能够节约很多成本:T0F要求待测有机材料的厚 度要达到微米级，这对于有些材料，尤其是许多新材料而言，代价是十分昂贵的；此外，T0F 测量设备贵重，操作复杂；
[0023] (4)通过多个厚度下的迀移率，得到界面厚度比例对迀移率的影响，更好的优化 器件结构；
[0024] (5)本发明方法测试条件简单，对实验条件没有特别要求。
【附图说明】
[0025]图1是本发明单层器件结构和测试原理示意图，
[0026]图2是两种材料不同厚度下的迀移率，
[0027]图3是两种材料不同厚度下的XRD图，
[0028] 图4是根据P-F方程拟合两种材料厚度依赖的迀移率，
[0029] 图5是两种材料不同界面厚度比例下的迁移率。
【具体实施方式】
[0030] -种基于阻抗谱法研究有机半导体迀移率与厚度的关系，其特征是该方法是在小 信号扰动下，基于空间电荷限制电流理论SCLC，建立理论模型；
[0031] 采用粒子群算法拟合阻抗的虚部ImZ和实部ReZ，得出载流子迀移时间Tdc，进而根 据公式μ<^ = (12/(τ(^ν)得到迀移率μ<!。;其中d为待测有机层