新研究揭示塑料半导体中电荷陷阱的形成机制

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塑料半导体给低成本、大批量生产电子器件带来了希望，但其有一个重要的缺陷：电流会受到材料中电荷陷阱的影响。据物理学家组织网7月31日(北京时间)报道，荷兰格罗宁根大学和美国佐治亚理工学院的研究团队通过最新研究揭示了隐藏在这些陷阱下的通用机制，并提供了一个理论框架来设计没有陷阱的塑料电子器件。研究结果提前发表于《自然·材料》杂志网络版。

塑料半导体由有机碳基聚合物制成，其含有一个可调的禁能隙。然而，电子在半导体中迁移时，有很多被卡在了材料中的禁能隙陷阱里，无法转换成光，从而降低了塑料发光二级管的发光效率和塑料太阳能电池的效率。

但科学家对陷阱所知甚少。“我们已经通过比较9种不同聚合物中的陷阱的性质来着手解决这一难题。”该研究论文首要作者、格罗宁根大学的赫尔曼·尼科莱说，“比较结果显示，所有材料中的陷阱都具有非常相似的能级。”

由佐治亚理工学院化学与生物化学学院教授让-吕克·布莱德斯领导的小组用计算的方式研究了一大批可能陷阱的电子结构。“我们通过计算发现，测量到的陷阱能级在实验上与水氧复合物产生的能级很匹配。”

尼科莱解释说：“水氧复合物很容易在半导体材料的制造过程中被引入，即使我们的器件是在氮气条件下制造的，也无法阻止少量氧气和水造成的污染。”

陷阱的能级与水氧复合物相似这一结果意味着，现在有可能估算出不同塑料材料中预期将产生的电流，同时，它也指明了设计不含陷阱的材料的方法。

“陷阱的能级就处于禁能隙。”尼科莱说。当一个移动的电子跑进处于禁能隙的陷阱中，就会被抓住，因为陷阱的能级更低。他认为，如果化学家能够设计出陷阱能级高于电子运动轨道的半导体聚合物，电子就不会落入陷阱。

尼科莱表示，这项研究成果对于设计高效的塑料发光二极管和塑料太阳能电池非常重要。