华东师范大学保秦烨课题组：构建面向有机光电器件的N型掺杂调控电极界面统一的电子结构

【引言】

近年来，基于有机半导体材料制备的光伏电池、发光二极管及薄膜晶体管成为新型功能器件的研究热点。除了设计合成新的高性能有机半导体材料，掺杂作为提升有机光电器件性能的重要手段，在改善有机半导体薄膜导电率、迁移率、以及调控电极界面电荷注入势垒等多方面展现了优异的实用前景。由于N型掺杂剂在空气中不稳定，N型掺杂调控的研究远远落后于P型掺杂，极大地限制了高效有机光电器件的开发。

【成果简介】

近日，华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室的保秦烨研究员课题组利用紫外光电能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS)原位表征技术，结合整数电荷转移模型(Integer Charge Transfer, ICT)模型，系统地分析了空气稳定的N型掺杂剂DMBI掺杂有机半导体(富勒烯C₆₀，PC₆₀BM, ICBA 和非富勒烯P(NDI2OD-T2))与电极界面的电子结构，以及功函数调控物理机理。研究发现，在低掺杂浓度条件下，掺杂薄膜的功函数依赖于原始电极的功函数，受制于给体材料的ICT曲线与界面双极化电势差的共同作用；在高掺杂浓度下，掺杂薄膜的功函数遵循经典的耗尽层模型，功函数保持恒定。该工作实现了N型掺杂调控电极界面电子结构更具规律性调控。相关成果以“Energy Level Alignment of N‑Doping Fullerenes and Fullerene Derivatives Using Air-Stable Dopant”为题，发表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。此前，保秦烨研究员在Advanced Materials Interfaces（2015, 2, 1400403；2015, 2, 1500204）上，分别阐述了P型掺杂有机半导体与电极界面电子结构，自掺杂共轭电解质与电极界面电子结构，这三项工作完整构建了掺杂薄膜与电极界面电子统一的电子结构，为掺杂工艺提高有机光电器件性能提供理论指导。

【图文简介】

图1、ICT模型与有机半导体材料

(a) ICT模型下的有机半导体与衬底功函数之间的演变关系。

(b) C₆₀,PC₆₀BM,ICBA,P(NDI2OD-T2)及N型掺杂剂DMBI的化学结构式。

图2、UPS界面表征

DMBI以0.1%，5% 和10%浓度掺杂C₆₀，PC₆₀BM,ICBA薄膜的功函数(a, b, c)和价带HOMO的演变(d, e, f)。

图3、掺杂薄膜与原始电极功函数之间的关系

(a) 不同掺杂浓度DMBI:C₆₀薄膜与原始电极的功函数关系

(b) 不同掺杂浓度:DMBI:PC₆₀BM 薄膜与原始电极的功函数关系

(c) 不同掺杂浓度DMBI:ICBA薄膜与原始电极的功函数关系

图4、 掺杂有机薄膜与电极界面电子结构模型

掺杂引起的界面双极化电势差的示意图

【小结】

这项工作通过分析不同浓度DMBI N型掺杂有机半导体薄膜与原始电极功函数之间的演变关系，构建了N型掺杂有机半导体与电极界面统一的电子结构，实现了掺杂薄膜对电极功函数更精准更具规律性调控。

文献链接：Energy Level Alignment of N‑Doping Fullerenes and Fullerene Derivatives Using Air-Stable Dopant（ACS Appl. Mater. Interfaces，2017，DOI:10.1021/acsami.7b11768）

本文由华东师范大学信息科学技术学院极化材料与器件教育部重点实验室的保秦烨研究员课题组提供。

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