華東師范大學保秦燁課題組：構建面向有機光電器件的N型摻雜調控電極界面統一的電子結構

【引言】

近年來，基于有機半導體材料制備的光伏電池、發光二極管及薄膜晶體管成為新型功能器件的研究熱點。除了設計合成新的高性能有機半導體材料，摻雜作為提升有機光電器件性能的重要手段，在改善有機半導體薄膜導電率、遷移率、以及調控電極界面電荷注入勢壘等多方面展現了優異的實用前景。由于N型摻雜劑在空氣中不穩定，N型摻雜調控的研究遠遠落后于P型摻雜，極大地限制了高效有機光電器件的開發。

【成果簡介】

近日，華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室的保秦燁研究員課題組利用紫外光電能譜(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS)原位表征技術，結合整數電荷轉移模型(Integer Charge Transfer, ICT)模型，系統地分析了空氣穩定的N型摻雜劑DMBI摻雜有機半導體(富勒烯C₆₀，PC₆₀BM, ICBA 和非富勒烯P(NDI2OD-T2))與電極界面的電子結構，以及功函數調控物理機理。研究發現，在低摻雜濃度條件下，摻雜薄膜的功函數依賴于原始電極的功函數，受制于給體材料的ICT曲線與界面雙極化電勢差的共同作用；在高摻雜濃度下，摻雜薄膜的功函數遵循經典的耗盡層模型，功函數保持恒定。該工作實現了N型摻雜調控電極界面電子結構更具規律性調控。相關成果以 “Energy Level Alignment of N?Doping Fullerenes and Fullerene Derivatives Using Air-Stable Dopant” 為題，發表在ACS Appl. Mater. Interfaces上。此前，保秦燁研究員在Advanced Materials Interfaces（2015, 2, 1400403；2015, 2, 1500204）上，分別闡述了P型摻雜有機半導體與電極界面電子結構，自摻雜共軛電解質與電極界面電子結構，這三項工作完整構建了摻雜薄膜與電極界面電子統一的電子結構，為摻雜工藝提高有機光電器件性能提供理論指導。

【圖文簡介】

圖1、ICT模型與有機半導體材料

(a) ICT模型下的有機半導體與襯底功函數之間的演變關系。

(b) C₆₀,PC₆₀BM,ICBA,P(NDI2OD-T2)及N型摻雜劑DMBI的化學結構式。

圖2、UPS界面表征

DMBI以0.1%，5% 和10%濃度摻雜C₆₀，PC₆₀BM,ICBA薄膜的功函數(a, b, c)和價帶HOMO的演變(d, e, f)。

圖3、摻雜薄膜與原始電極功函數之間的關系

(a) 不同摻雜濃度DMBI:C₆₀薄膜與原始電極的功函數關系

(b) 不同摻雜濃度:DMBI:PC₆₀BM 薄膜與原始電極的功函數關系

(c) 不同摻雜濃度DMBI:ICBA薄膜與原始電極的功函數關系

圖4、 摻雜有機薄膜與電極界面電子結構模型

摻雜引起的界面雙極化電勢差的示意圖

【小結】

這項工作通過分析不同濃度DMBI N型摻雜有機半導體薄膜與原始電極功函數之間的演變關系，構建了N型摻雜有機半導體與電極界面統一的電子結構，實現了摻雜薄膜對電極功函數更精準更具規律性調控。

文獻鏈接：Energy Level Alignment of N?Doping Fullerenes and Fullerene Derivatives Using Air-Stable Dopant（ACS Appl. Mater. Interfaces，2017，DOI:?10.1021/acsami.7b11768）

本文由華東師范大學信息科學技術學院極化材料與器件教育部重點實驗室的保秦燁研究員課題組提供。

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