Vue d'artiste d'un amas de molécules d'eau agissant comme un piège à trous. Crédit :D. Andrienko, MPI-P.
Semi-conducteurs organiques, une classe de matériaux carbonés aux propriétés optiques et électroniques, sont maintenant couramment utilisés pour fabriquer une variété d'appareils, y compris les cellules solaires, diodes électroluminescentes et transistors à effet de champ. Ces matériaux semi-conducteurs peuvent présenter une caractéristique connue sous le nom de transport de charge hautement unipolaire, ce qui signifie essentiellement qu'ils conduisent principalement des électrons ou des trous. Cela peut être quelque peu problématique, car cela nuit à leur efficacité et à leurs performances.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères ont récemment identifié une fenêtre d'énergie à l'intérieur de laquelle les semi-conducteurs organiques ne subissent pas de piégeage de charge. Comme expliqué dans leur article, Publié dans Matériaux naturels , cette fenêtre permet le transport de charge sans piège des deux transporteurs.
"En 2012, nous avons étudié le piégeage des électrons dans les polymères conjugués et nous avons découvert que l'abaissement des niveaux d'énergie auxquels le transport des électrons a lieu (c'est-à-dire LUMO) pourrait réduire la quantité de piégeage des électrons, " Gert-Jan Wetzelaer, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré TechXplore. "L'année dernière, nous avons développé une stratégie pour améliorer les électrodes dans les dispositifs à semi-conducteurs organiques, ce qui nous a permis d'étudier des semi-conducteurs organiques avec une très large gamme de niveaux d'énergie. Dans notre nouvelle étude, nous nous sommes intéressés à la façon dont la position de ces niveaux d'énergie influencerait le transport des électrons et des trous, même pour des niveaux d'énergie très profonds, qui ne pouvaient pas être explorés auparavant. »
Pour étudier comment la position des niveaux d'énergie peut influencer la capacité d'un semi-conducteur à transporter à la fois des électrons et des trous, Wetzelaer et ses collègues ont mesuré les courants d'électrons et de trous dans une variété de semi-conducteurs organiques. Dans leurs précédents travaux, ils ont observé que le degré auquel ce courant dépend de la tension appliquée à travers un film semi-conducteur peut être utilisé comme mesure de la quantité de piégeage de charge.
Lorsque les chercheurs ont mesuré le courant traversant une large gamme de semi-conducteurs organiques avec différents niveaux d'énergie, ils ont découvert que les niveaux d'énergie des matériaux individuels influençaient le fait que le courant soit limité ou non par le piégeage de charge. Après avoir mené une série d'expériences et recueilli de nombreuses observations, ils ont pu identifier une fenêtre dans laquelle les semi-conducteurs organiques peuvent réaliser un transport de charge sans piège.
Plus précisement, ils ont observé que lorsque l'énergie d'ionisation d'un matériau dépasse 6 eV, le piégeage des trous se produit et il ne sera donc plus en mesure de conduire efficacement les trous. D'autre part, lorsque l'affinité électronique d'un matériau est inférieure à 3,6 eV, il ne pourra pas transporter efficacement les électrons. Pour conduire efficacement à la fois les électrons et les trous, donc, les niveaux d'énergie d'ionisation et d'affinité électronique d'un matériau doivent se situer dans cette fenêtre spécifique.
Photographie de l'OLED sans piège Crédit :MPI-P.
"Nos résultats impliquent que pour des performances optimales, les niveaux d'énergie des semi-conducteurs organiques utilisés dans les appareils, comme les OLED et les cellules solaires organiques, doit être idéalement situé à l'intérieur de la fenêtre énergétique découverte, " dit Wetzelaer. " A l'intérieur de cette fenêtre d'énergie, la conduction des porteurs de charges sera efficace, ce qui est important pour convertir l'électricité en lumière et vice versa."
L'étude menée par Wetzelear et ses collègues introduit une règle générale de conception des semi-conducteurs organiques utilisables pour la fabrication des OLED, cellules solaires et transistors à effet de champ. Cette « règle générale » spécifie les niveaux d'énergie souhaitables pour atteindre une efficacité et une conductivité plus élevées dans les appareils construits à l'aide de ces matériaux.
"Nous avons récemment réussi à créer un OLED hautement efficace basé sur ces règles de conception, avec une architecture d'appareil beaucoup moins complexe que celle habituellement utilisée, " a ajouté Wetzelaer.
Wetzelaer et ses collègues ont effectué une série de simulations et ont recueilli d'autres résultats intéressants, suggérant que les amas d'eau pourraient être à l'origine du piégeage des trous. Cette observation clé pourrait aider à concevoir des stratégies pour éliminer les pièges de charge des films semi-conducteurs.
À l'avenir, la fenêtre énergétique identifiée par cette équipe de chercheurs pourrait éclairer le développement de dispositifs à base de semi-conducteurs plus efficaces. En outre, leurs observations soulèvent des questions intéressantes liées à la conception des OLED bleues.
"Dans les OLED bleues, l'écart énergétique requis pour l'émission de lumière bleue est d'environ 3,0 eV, qui est plus grande que la fenêtre sans piège, " Wetzelaer a déclaré. "Nous prévoyons maintenant d'étudier des stratégies pour supprimer ou désactiver les pièges de charge dans les semi-conducteurs organiques, pour pouvoir fabriquer des OLED bleues très efficaces."
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