高压下有机半导体并四苯和并五苯的电输运性质研究

【摘要】有机半导体材料因其在发光二极管、显示器、场效应晶体管以及光伏电池等方面的广泛应用而备受关注。在为数众多的有机半导体中，并四苯和并五苯是较为突出的两种，它们拥有较高的载流子迁移率，是研究电子和光学器件应用的非常有前景的材料。并四苯和并五苯在常温常压下晶体结构都是三斜晶系结构，同大多数有机半导体一样，显示多态性。它们在很多方面存在相似性，但又有许多不同点，因此有必要对它们进行系统的研究。本论文利用基于金刚石对顶砧（DAC）平台的高压原位电学测量方法，通过将薄膜制备与光刻微加工技术相结合，在DAC上集成平行板电极和vanderPauw电极，采用交流阻抗谱和直流变温电阻率测量技术系统地研究了并四苯和并五苯在不同压力下的电输运性质，获得了电阻、弛豫频率、激活能和介电常数等电输运参数随压力的变化关系，阐释了并四苯和并五苯在压力诱导下的电学多态性，研究结果如下：1、通过对并五苯的高压原位交流阻抗谱的测量发现：在整个传导过程中，晶粒电阻对总电阻的贡献占主导地位。压力在5.5GPa时，晶界电阻对总电阻的贡献变的很弱几乎可以忽略不计，这与并五苯在5GPa完成的C相—H相的相变有关，说明晶体的结构相变对晶界的输运性质产生了很大影响。由压力引发的电子和结构相变会在界面处产生新的缺陷、空位和悬键，从而改变了载流子浓度和载流子散射机制，导致晶界电阻的不连续变化。在17.4GPa时电阻和弛豫频率再一次出现不连续变化，样品出现非晶化，分子晶体特性消失，电输运机制发生根本变化。并五苯的非晶特性也可能与电荷传输过程中存在的静态无序有关，我们用Marcus电荷输运理论描述了并五苯内部电荷的跳跃机制。此外，在压力超过17.4GPa时，通过分析弛豫激活能随压力的变化关系，我们发现，此时的弛豫激活能随压力以21.7meV/GPa的速率增加，导致载流子浓度减小及输运困难，这与样品电阻随压力的增加而增大相对应。2、通过对并五苯的高压变温电阻率测量，发现从常压到28.3GPa的压力范围内，并五苯的电阻率随着温度的升高而降低，一直保持半导体传导特性，没有发生金属化。在所测温度区间（80K-290K），并五苯样品的载流子浓度随着温度的升高而增大，进而导致电阻率随温度的升高而减小。我们的工作与前人的研究结果相一致：并五苯粉末样品表现金属化行为需更高的压力。3、通过对并四苯的高压原位交流阻抗谱测量，研究了并四苯高压下的电输运性质。结果表明晶粒和晶界电阻对整个电输运过程中都有贡献，但晶粒内部的传导过程占主导地位。在19GPa之前晶粒电阻随压力的增加而减小，而晶界电阻则随压力的增大而增加。当压力超过19GPa时，晶粒和晶界电阻都出现逆转变化，相对介电常数也有不连续的变化。这是因为碳碳饱和键的形成使分子的结构无定型化，晶体的构型发生了改变，从而影响了电输运性质。
【作者】张燕；
【导师】韩永昊；刘才龙；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】高压；阻抗谱；弛豫频率；跃迁机制；变温；激活能；

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