[发明专利]判断有机半导体材料载流子传输各向异性程度的方法

说明书

本申请提供一种判断有机半导体材料载流子传输各向异性程度的方法，使用理论模型判断有机半导体材料内部载流子传输各向异性程度。该模型特征为：1.通过数学关系式，准确表达了有机半导体材料的各向异性比和材料结构参数的关系.2.通过等值线图的方式实现了预测结果的可视化，直观体现材料的各向异性程度随材料结构参数变化的趋势，为寻找新的各向同性有机半导体材料提供依据。经实践，该模型能成功地解释已知材料的各向异性，并能够成功预测新型材料的各向异性程度。

技术领域

本发明涉及有机半导体材料器件领域，特别涉及一种判断有机半导体材料载流子传输各向异性程度的方法与应用。

背景技术

有机半导体因其在可拉伸性、性能调控性及轻便性等方面的优势，于近年来受到学术界和电子工业界的广泛关注。在实验中，有机半导体已实现了和传统的无定形硅材料相近的电荷迁移性能，并实现了发光、光探测与光响应、光电转换等应用，具有广泛的市场前景。然而，有机半导体器件的大规模生产及市场应用目前仍被材料的各向异性传输特性所制约。

载流子在有机半导体材料中的传输通常展现各向异性，即载流子沿材料晶体的不同取向传输时，通常展现出不同的迁移率。在一些有机半导体中，不同方向的迁移率之间的差距可达最小迁移率的三到四倍。这一差距会导致器件性能的巨大差异，极大提高了有机半导体器件制备及质量控制的难度。因此，为实现有机半导体材料的商业化应用，必须以技术手段使得载流子可以在平面内实现各向同性传输。

目前较为常用的实现各向同性传输的方法是采用无定形态或多晶状态的有机半导体作为活性层，以微观取向的随机性来实现活性层整体的各向同性。另一种方法是，寻找具有各向同性传输的有机半导体材料，制备各向同性的单晶活性层。与多晶活性层、无定形态活性层相比，采用单晶形态的活性层可显著提高传输性能。此外，单晶活性层有可能在同一结构内实现高迁移率和高发光性，有助于实现有机激光器等新型高性能应用。

目前绝大多数的有机半导体单晶的传输是各向异性的，具有各向同性传输的材料鲜有报道。最早如斯坦福大学Zhenan Bao课题组2009年报道的材料4TTMS，其单晶的各个方向迁移率均为0.2cm²/Vs,展现出了出色的各向同性，但过低的迁移率导致其应用有限。2015年以来，中科院胡文平课题组和北京大学新材料学院孟鸿课题组报道了一系列具有各向同性传输的蒽衍生物材料，同时具备各向同性传输，高迁移率(超过10cm²/Vs，与无定形硅相近)和高发光性，为实现各向同性单晶的实际应用提供了可能。

尽管近期的合成工作得到了一些优秀的各向同性有机半导体，但迄今为止，尚未有关于有机材料各向异性程度差异成因的深入研究。已有的理论工具可以计算得到材料各个取向的迁移率大小，比较各向异性程度的差异；然而对于差异的成因，各向异性程度和晶体结构的关系等问题并没有给出解释，为进一步预测寻找新的各向同性材料造成了极大困难。因此，必须发展一套用于阐释有机材料各向异性差异的理论模型。

有机材料载流子传输各向异性程度的传统计算方法

分析有机半导体各向异性的常用标准方法为一种基于Marcus-Hush理论的模拟方法。[1]该方法要求选取晶体中的一个分子为中心分子，选择待分析的传输沟道所在的平面为基准面,中心分子到与该分子骨架平行的一个分子的传输路径在基准面上的投影方向为基准轴方向。确立中心分子，基准面和基准轴后，利用材料的晶体结构数据，计算该中心分子到其它相邻分子的传输路径的长度、路径方向、转移积分(Transfer integral)等参数并进行分析。在有机半导体的各向异性分析中，通常需要分析中心分子到六个相邻分子的传输路径，如图1所示。

载流子在具有方位角的沟道中的迁移率，可以通过联立以下方程解出：