Nat. Mater.：欧姆空穴注入高电离能有机半导体

【引言】

有效的有机半导体器件的最重要的要求是建立用于空穴和电子的欧姆接触。创建孔的欧姆接触使得电极功函数与有机半导体的电离能相匹配，在有机发光二极管（OLED）中，具有高达6eV的电离能的材料通常用作主体和发射体。然而，用于有机器件中的典型电极如铟锡氧化物等具有接近5.0eV的功函数会导致较大的注入障碍。由于注入电流与注入势垒呈指数关系，因此找到具有相当高功函数的空穴注入电极至关重要。

【成果简介】

近日，来自马克斯-普朗克高分子研究所的Gert-Jan H. A. Wetzelaer教授（通讯作者）的团队在Nat. Mater.发表了题为Universal strategy for Ohmic hole injection into organic semiconductors with high ionization energies的文章，该团队提出一种简单且稳健的方式，在高电离能的有机半导体上形成欧姆孔接触。中间层的插入导致电极与半导体的费米能级与有机半导体的能级重新对准。针对多种材料组合说明了欧姆接触结构，并解决了空穴注入到具有高达6eV的高电离能的有机半导体中的问题。

【图文导读】

a: PEDOT：PSS/ Spiro-TAD/MoO₃的电流密度-电压特性；

b: 能带图。

图2：不同夹层的空穴注入增强

具有不同夹层的TCTA和CBP有空穴的器件的电流密度-电压特性，每当夹层的电离能大于传输层的电离能时，从MoO₃注入的空穴电流（正偏压）提高到相同的水平,对于带有TCTA夹层的CBP（b:红色虚线），电离能中的偏移量为负值，导致注入电流大幅降低，a和b中的插图分别显示了TCTA和CBP的分子结构。

图3：四种不同材料的空间电荷限制空穴电流

电导率一系列层厚度与电压之间的关系，对于所有测试的有机半导体，满足L-3层厚度依赖性。实验电流取决于电压的平方，证明注入电流确实是空间电荷受限的，在插入夹层之后建立空间电荷限制电流确认形成欧姆孔接触。

图4：层间/空穴传输层结构的相关计算

增加金属氧化物上有机半导体的通用电离能分布的数据，获得与UPS测量相对应的在层表面（红线）的计算的电离能位置通过评估不同的x = L处的能带弯曲，顶部插图显示了单独材料的能级，底部插图显示了计算的层间电荷密度，模拟能带图。

图5：UV发射TPBi OLEDs

具有和不具有夹层结构的OLED的电流密度-电压（实线）和亮度-电压（虚线）插图显示对应于TPBi发射的电致发光光谱。在MoO₃和TPBi之间增加一个额外的中间层会使光输出效率提高三个数量级。增加的光输出是空穴注入增强的直接结果，在通常用于空穴阻挡目的的材料中也可以直接注入空穴。

【小结】

该团队提出了一种在高有机半导体上实现欧姆孔接触的通用方法，与高功函数过渡金属氧化物电极相比，注入的空穴电流提高了一个数量级。通过电极与有机半导体之间的中间层的静电来减少阻挡层的合理化。该夹层强烈地降低了电极界面附近的有吸引力的图像电位的影响，并且消除了有机/电极界面处存在的DOS扩宽，同时恢复费米级对准。层间增强的接触可用于紫外线发射二极管中，从而向空穴阻挡材料TPBi中直接注入空穴，有效空穴注入电离能超过6eV的有机半导体扩大了可用于OLED和有机光伏器件的材料的范围。

文献链接：Universal strategy for Ohmic hole injection into organic semiconductors with high ionization energies（Nat. Mater.2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0022-8）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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