Nat. Mater.：歐姆空穴注入高電離能有機半導體

【引言】

有效的有機半導體器件的最重要的要求是建立用于空穴和電子的歐姆接觸。創建孔的歐姆接觸使得電極功函數與有機半導體的電離能相匹配，在有機發光二極管（OLED）中，具有高達6eV的電離能的材料通常用作主體和發射體。然而，用于有機器件中的典型電極如銦錫氧化物等具有接近5.0eV的功函數會導致較大的注入障礙。由于注入電流與注入勢壘呈指數關系，因此找到具有相當高功函數的空穴注入電極至關重要。

【成果簡介】

近日，來自馬克斯-普朗克高分子研究所的Gert-Jan H. A. Wetzelaer教授（通訊作者）的團隊在Nat. Mater.發表了題為Universal strategy for Ohmic hole injection into organic semiconductors with high ionization energies的文章，該團隊提出一種簡單且穩健的方式，在高電離能的有機半導體上形成歐姆孔接觸。中間層的插入導致電極與半導體的費米能級與有機半導體的能級重新對準。針對多種材料組合說明了歐姆接觸結構，并解決了空穴注入到具有高達6eV的高電離能的有機半導體中的問題。

【圖文導讀】

a: PEDOT：PSS/ Spiro-TAD/MoO₃的電流密度-電壓特性；

b: 能帶圖。

圖2 ：不同夾層的空穴注入增強

具有不同夾層的TCTA和CBP有空穴的器件的電流密度-電壓特性，每當夾層的電離能大于傳輸層的電離能時，從MoO₃注入的空穴電流（正偏壓）提高到相同的水平,對于帶有TCTA夾層的CBP（b:紅色虛線），電離能中的偏移量為負值，導致注入電流大幅降低，a和b中的插圖分別顯示了TCTA和CBP的分子結構。

圖3：四種不同材料的空間電荷限制空穴電流

電導率一系列層厚度與電壓之間的關系，對于所有測試的有機半導體，滿足L-3層厚度依賴性。實驗電流取決于電壓的平方，證明注入電流確實是空間電荷受限的，在插入夾層之后建立空間電荷限制電流確認形成歐姆孔接觸。

圖4：層間/空穴傳輸層結構的相關計算

增加金屬氧化物上有機半導體的通用電離能分布的數據，獲得與UPS測量相對應的在層表面（紅線）的計算的電離能位置通過評估不同的x = L處的能帶彎曲，頂部插圖顯示了單獨材料的能級，底部插圖顯示了計算的層間電荷密度，模擬能帶圖。

圖5：UV發射TPBi OLEDs

具有和不具有夾層結構的OLED的電流密度-電壓（實線）和亮度-電壓（虛線）插圖顯示對應于TPBi發射的電致發光光譜。在MoO₃和TPBi之間增加一個額外的中間層會使光輸出效率提高三個數量級。增加的光輸出是空穴注入增強的直接結果，在通常用于空穴阻擋目的的材料中也可以直接注入空穴。

【小結】

該團隊提出了一種在高有機半導體上實現歐姆孔接觸的通用方法，與高功函數過渡金屬氧化物電極相比，注入的空穴電流提高了一個數量級。通過電極與有機半導體之間的中間層的靜電來減少阻擋層的合理化。該夾層強烈地降低了電極界面附近的有吸引力的圖像電位的影響，并且消除了有機/電極界面處存在的DOS擴寬，同時恢復費米級對準。層間增強的接觸可用于紫外線發射二極管中，從而向空穴阻擋材料TPBi中直接注入空穴，有效空穴注入電離能超過6eV的有機半導體擴大了可用于OLED和有機光伏器件的材料的范圍。

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

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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