测量有机半导体状态密度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有机半导体器件的技术领域，尤其涉及一种测量有机半导体状态密度 的方法。
【背景技术】
[0002] 有机半导体材料具有柔性、透明、低成本、可大面积制造等优点，具有广阔的应用 前景。过去20年里，有机半导体材料取得了巨大的进展，各种基于有机半导体材料的器件 不断涌现，例如有机薄膜晶体管、有机太阳能电池、有机场效应晶体管等。
[0003] 在有机半导体领域中，电荷传输特性对于有机半导体器件性能起决定性作用，而 决定电荷传输特性的关键因素是能谱，也被称为状态密度（Density of states，简称DOS)。 在统计力学和凝聚态物理中，状态密度或态密度为某一能量附近每单位能量区间里微观状 态的数目。对于具有完整规则晶体结构的材料，其状态密度可以通过第一性原理计算获得， 但是，对于非晶态的有机半导体材料，目前唯一的方法是通过比较实验并使用经验的DOS 方法进行拟合得到其状态密度。
【发明内容】
[0004] 由上所述，本发明的目的在于根据对相关研宄领域现状的分析，基于材料变温下 的赛贝克系数的值及载流子的跃迀理论，提出一种探测有机半导体材料状态密度的方法， 此方法操作简单，可广泛应用于各种具有非晶态结构的有机半导体材料。
[0005] 为此，本发明提供了一种测量有机半导体材料状态密度的方法，包括：步骤1，测 量有机半导体材料的赛贝克系数；步骤2,基于有机半导体材料的特征，选择一种状态密度 函数；步骤3,通过渗流理论计算有机半导体材料的赛贝克系数值；步骤4,提取材料的状态 密度宽度；步骤5,提取有机半导体材料的状态密度。
[0006] 其中，步骤1进一步包括步骤：使用四端接触法测量有机半导体材料的电阻值； 将测得电阻值转换成有机半导体材料的温度值；测量热电压；采用公式S = Λν/ΛΤ计算 有机半导体材料的赛贝克系数，其中AV是热电压的变化值，ΛΤ是温度变化值。
[0007] 其中，通过使用步进温度扫描法和在等温条件下测量获得的电阻值对温度值进行 校正。
[0008] 其中，步骤2的状态密度函数为公式⑴表示的高斯状态密度函数 M E2 g(E) = ^-r^V(--^) (1)，其中，Nt表示单位体积的状态数量，E表示归一化后的 能量，σ?= 0/kBT表示状态密度的宽度，kB表示玻尔兹曼常数。
[0009] 其中，步骤3进一步包括：
[0010] 根据渗流理论，Peltier系数Π通过下式（3)计算获得：
[0011] Π = / EiP (E^dEi, (3)，
[0012] 式中P(Ei)表示能量空间中一个具有能量Ei位置的概率，可以通过下式（4)获得
【主权项】
1. 一种测量有机半导体材料状态密度的方法，包括： 步骤1，测量有机半导体材料的赛贝克系数； 步骤2,基于有机半导体材料的特征，选择一种状态密度函数； 步骤3,通过渗流理论计算在选定状态密度函数下有机半导体材料的赛贝克系数值； 步骤4,提取材料的状态密度宽度； 步骤5,根据状态密度宽度提取有机半导体材料的状态密度。
2. 如权利要求1的方法，其中，步骤1进一步包括步骤： 使用四端接触法测量有机半导体材料的电阻值； 将测得电阻值转换成有机半导体材料的温度值T; 测量热电压V; 采用公式S=AV/AT计算有机半导体材料的赛贝克系数，其中AV是热电压的变化 值，AT是温度变化值。
3. 如权利要求2的方法，其中，通过使用步进温度扫描法和在等温条件下测量获得的 电阻值对温度值进行校正。
4. 如权利要求1的方法，其中，步骤2的状态密度函数为公式⑴表示的高斯状态密度
，其中，Nt表示单位体积的状态数量，E表示归一化 后的能量，〇/kBT表示状态密度的宽度，kB表示玻尔兹曼常数。
5. 如权利要求4的方法，其中，步骤3进一步包括： 根据渗流理论，Peltier系数n通过下式（3)计算获得：n= /EjP(Ej)dEi(3)， 式中P(Ei)表示能量空间中一个具有能量￡1位置的概率，可以通过下式（4)获得
式中g(Ei)表示单位体积的状态密度，Em表示最大的位能，PjZ^Ei)表示来自位能Ei第二小的电阻概率，其值小于最大电阻值，可通过下式（5)计算获得， P^ZjEi) = 1-exp[-P(ZjEi) ] [l+P(Zm|Ei)] (5)， 上式中PGmlEi)表示带的密度； 根据Kelvin-Onsager关系，通过把公式（1)、（3)、（4)、（5)代入以下公式（2)则可计 算出理论的赛贝克系数值：
式中n为公式（3)的Peltier系数，T为温度。
6. 如权利要求5的方法，其中，PG^lEi)值可通过联立解以下公式（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表示晶格常数的倒数，&表示位置i和位置j的空间距离，示费米能级，EJPI分别表示位置i和位置j的能量，kB表示波尔兹曼常数，B。表示渗流参数（一般为 2. 8)，T为温度，g(E)为高斯状态密度，S为赛贝克系数。
7. 如权利要求1的方法，其中，步骤4进一步包括： 选择合适的状态密度的宽度值〇 ; 通过改变温度T的大小模拟计算出材料随载流子浓度变化的赛贝克系数值S; 将步骤3计算出的不同温度下的赛贝克系数理论值与步骤1测得的实验值相进行比 较； 如果理论值与实验值相对误差值小于5%，则所选择的〇值为有机半导体材料的状态 密度的宽度，如果理论值与实验值的误差大于5%，需重新选择〇值并重新计算不同温度 下赛贝克系数值，重复以上步骤直至理论值与实验值相对误差值小于5%。
8. 如权利要求4的方法，其中，将步骤4获得的状态密度宽度〇、单位体积的状态数量 Nt和温度T代入公式（1)得到有机半导体材料的状态密度。
【专利摘要】一种测量有机半导体材料状态密度的方法，包括：步骤1，测量有机半导体材料的赛贝克系数；步骤2，基于有机半导体材料的特征，选择一种状态密度函数；步骤3，通过渗流理论计算有机半导体材料的赛贝克系数值；步骤4，提取材料的状态密度宽度；步骤5，提取有机半导体材料的状态密度。依照本发明的测量有机半导体状态密度的方法，基于材料变温下的赛贝克系数的值及载流子的跃迁理论，通过理论与实验相结合的方法探测有机半导体材料的状态密度，为分析有机半导体材料的微观物理机制提供理论指导，可以直接用于分析有机半导体材料的载流子输运特性，从而为制造高性能的有机半导体器件提供指导。
【IPC分类】G01R27-00
【公开号】CN104777359
【申请号】CN201510228253
【发明人】卢年端, 李泠, 刘明
【申请人】中国科学院微电子研究所
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年5月7日