Никитенко Нестационарные процессы переноса и 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В.Р. Никитенко

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА И РЕКОМБИНАЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ТОНКИХ СЛОЯХ

ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

3

4.3.1.Полевая диффузия в режиме квазиравновесного транспорта 165

4.3.2.Решение уравнения неравновесного транспорта в условиях

4

ГЛАВА 5. ПЕРЕХОДНЫЙ ТОК В УСЛОВИЯХ ВРЕМЯПРОЛЁТНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

ГЛАВА 7. ТРАНСПОРТ И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

ВОРГАНИЧЕСКИХ СВЕТОДИОДАХ

7.1.Органические светодиоды: от однослойных к многослойным структурам 250

5

6

Памяти моих учителей, профессоров МИФИ А.И. Руденко и В.И. Архипова

Введение

В конце 1970-х гг. автор читал одну научно-фантастическую повесть. Там один молодой научный сотрудник ночью занимался некими тёмными делишками, а утром был вызван «на ковёр» к директору, чтобы объяснить огромный расход электроэнергии. На вопрос, чем он занимался, он выдал первую «научную чушь», пришедшую на ум: «Я исследовал электропроводность полимеров...», и получил резонный ответ: «Вздор! Полимеры – изоляторы!»

Cейчас такая тема исследований чушью и вздором не считается и даже особого удивления не вызывает. Напротив, исследования электронных (и тесно связанных с ними оптических) процессов в полимерах и других органических материалах в последние 20 лет развиваются лавинообразно. Хотя большинство материалов, рассматриваемых в этой книге, вполне можно классифицировать как «диэлектрики», т. е. изоляторы – у них широкая (более двух элек- трон-вольт) энергетическая щель между состояниями, ответственными за перенос электронов и дырок. Соответственно низки концентрация собственных носителей заряда и собственная электропроводность. Более того, носители заряда обычно сильно локализованы. Однако если ввести избыточные носители – инжекцией с электродов, или генерацией достаточно жёстким излучением, или путём допирования, т.е. введения донорных или акцепторных примесей, достигается достаточно высокая электропроводность полупроводникового типа. Поэтому в данной книге, как и во многих оригинальных статьях, используется несколько неопределённый термин «органические материалы».

Структурный беспорядок в той или иной степени присущ всем рассматриваемым материалам. Известно, что в неорганических неупорядоченных полупроводниках (например, халькогенидные стёкла, аморфный кремний) состояния для электронов и дырок локализованы в хвостах зон, образуя ловушки, широко распределённые по энергии. Однако делокализованные состояния в зоне проводимости (валентной зоне) всё же сохраняются. В органических же материалах межмолекулярное взаимодействие настолько слабо, что обычно все состояния локализованы. В этих условиях перенос

7

осуществляется туннельными прыжками, при этом разница энергий компенсируется за счёт колебаний решётки (фононов). Если начальное распределение избыточных носителей термодинамически неравновесно, в процессе их переноса происходит энергетическая релаксация, которая приводит к аномальным характеристикам переноса, например – аномально велика дисперсия носителей, измеряемая экспериментально подвижность зависит от толщины исследуемого слоя, если время пролёта через слой меньше времени установления термодинамического равновесия. Неравновесный характер переноса необходимо учитывать, если речь идёт о тонких (около 100 нм) слоях, что типично для органической электроники.

Помимо таких фундаментальных проблем, как неупорядоченность структуры, локализация носителей заряда, прыжковый и часто неравновесный характер переноса (иначе – транспорта) носителей заряда, которые характерны для данных материалов, исследования стимулируются ценными для технических применений физико-химическими свойствами – эластичностью, электро- и фотолюминесценцией, возможностью достижения требуемых характеристик путём практически бесконечных вариаций химического состава и структуры образцов, возможностью создания многослойных структур, в том числе и наноструктур с «умными» поверхностями раздела слоёв, гетероструктур с наночастицами. К областям применения органических материалов, которые стали уже привычными (изолирующие покрытия, копировальная техника), в последние годы добавились светодиоды, «на подходе» другие базовые элементы электроники: полевые транзисторы, запоминающие устройства, фотовольтаика, сенсоры, лазеры... Ярким (хотя, видимо, и не самым значимым) примером возможностей применений органических материалов служит концепция "носильного" персонального компьютера, в котором органические дисплеи используются в качестве элементов одежды (образец продемонстрирован фирмой

Pioneer в 2001 г.).

Данная книга представляет собой попытку систематизации основных современных теоретических и экспериментальных методов анализа процессов генерации, транспорта и рекомбинации носителей заряда в микро- и нано -структурах на основе органических материалов, полученных в данной области результатов и существующих проблем, не претендуя на полноту изложения. Цель книги

8

–дать студенту старших курсов, аспиранту и начинающему исследователю в области органических (и шире – неупорядоченных) полупроводников и диэлектриков некоторые ориентиры в этом обширном и переменчивом море. Другим читателям книга поможет расширить кругозор, дополняя классические курсы более «устоявшихся» областей физики конденсированного состояния. Предпочтение отдаётся тем проблемам, которые в учебной и даже научной литературе слабо систематизированы (разбросаны в научных статьях) или рассматривались достаточно давно (с тех пор появились новые экспериментальные данные и их анализ) [1:5, 10, 17], или рассмотрены специальные области [1:13]. Это – перенос и рекомбинация носителей заряда в тонких плёнках (от нескольких десятков нанометров до нескольких микрометров) в условиях, когда энергетическое распределение не равновесно, а концентрация зависит от координат и времени. Соответствующие теоретические модели необходимы, например, при анализе данных времяпролётных экспериментов, переходной электролюминесценции, при моделировании и оптимизации характеристик светодиодов, солнечных батарей. Некоторые вопросы (например, результаты, полученные с применением модели многократного захвата) должны быть интересны и читателям, которые интересуются неравновесным транспортом в неупорядоченных (не только органических) материалах.

Первая часть (гл. 1 – 3) даёт читателю представление об основных понятиях, экспериментальных методах и результатах, теоретических концепциях и моделях. При необходимости он может углубить знания, используя цитированные книги и статьи. Вторая часть

–более специальная. Особое внимание уделено теоретическим моделям неравновесного транспорта, близнецовой (геминальной) рекомбинации электронов и дырок и электролюминесценции в тонких (100 нм и меньше) слоях неупорядоченных органических материалов. Эти вопросы, насколько известно автору, вообще не освещались комплексно в учебной и даже научно-монографической русскоязычной литературе (исключая монографию [1:13], посвящённую радиационной электропроводности в полимерах).

Глава 1 содержит краткий обзор классических и просто устоявшихся теоретических концепций и понятий из области физики неупорядоченных полупроводников и физической химии органических материалов, на которых основано основное содержание дан-

9

ной книги и которые рассеяны по разным книгам.

Вглаве 2 описаны основные экспериментальные методы исследования транспорта в нестационарных условиях, когда ярко проявляются аномальные характеристики неравновесного транспорта, и методы теоретического анализа результатов.

Читатель, который добрался до главы 3, скорее всего, уже осознал, что задача, поставленная «из первых принципов», редко может быть доведена до полезного решения. Наибольшее распространение получили феноменологические теории, описания которых рассеяны по статьям и монографиям (в основном, англоязычным), обзору которых и посвящена гл. 3. Некоторые из них использованы для получения результатов, изложенных в последующих главах.

Особое значение имеет концепция транспортного уровня.

Глава 4 содержит анализ аномальной дисперсии носителей заряда. Представлена аналитическая модель дрейфа и диффузии неравновесных носителей заряда, распределение которых в пространстве неоднородно и зависит от времени, основанная на концепции транспортного уровня.

Глава 5 посвящена проблеме определения характеристик переноса по данным времяпролётных экспериментов в случае, когда транспорт является неравновесным, для различных типов энергетического распределения локализованных состояний.

Предмет главы 6 – кинетика близнецовых пар, которая тесно связана с проблемами как генерации, так и переноса носителей заряда.

Глава 7 содержит достаточно простые теоретические модели электролюминесценции в органических светодиодах (это, повидимому, наиболее разработанные элементы развивающейся органической электроники).

Вглаве 8 дан краткий обзор применения наноструктур (главным образом квантовых точек), включённых в активные слои элементов органической электроники. Наноструктуры в органических матрицах – фактически новый класс материалов для электроники, исследования которых быстро развиваются.

Книга содержит большое число ссылок на учебники, монографии, научные статьи. Каждая глава имеет свой список литературы. Например, [1:5] – ссылка номер 5 к главе 1.

10