Моделирование подвижности электронов в органических материалах оптоэлектроники

Беляев В.В., Чаусов Д.Н., Соломатин А.С., Кучеров Р.Н., Кумар С., Маргарян А.Л., Ермакова М.В., Беляев А.А., Ханна Г.М., Вечканов А.Р., Андреев А.В.

Ссылка для цитирования:

Беляев В.В., Чаусов Д.Н., Соломатин С.А., Кучеров Р.Н., Кумар С., Маргарян А.Л., Акопян Н.Г., Ермакова М.В., Беляев А.А., Ханна Г.М., Вечканов А.Р., Андреев А.В. Моделирование подвижности электронов в органических материалах оптоэлектроники // Оптический журнал. Т. 91. № 11. С. 82–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-11-82-90

Belyaev V.V., Chausov D.N., Solomatin S.A., Kucherov R.N., Kumar S., Margaryan A.L., Hakobyan N.G., Ermakova M.V., Belyaev A.A., Hanna G.M., Vechkanov A.R., Andreev A.V. Modeling of electron mobility in organic optoelectronics materials [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. V. 91. № 11. P. 82–90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-11-82-90

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Органические материалы оптоэлектроники со сложной молекулярной структурой, межмолекулярное и межатомное взаимодействие. Цель работы. Разработка моделей межмолекулярного и межатомного взаимодействия этих материалов для описания компонент энергии органических молекул и ее пространственного распределения. Метод. Предложен метод определения вклада частей молекул на подвижность зарядов по модели диффузии на делокализованном поляроне. Во втором методе определяется энергия молекул и ее пространственное распределение по атом–атомным потенциалам. Основные результаты. Модель позволяет рассчитать изменение вклада от взаимодействия между молекулами или их фрагментами при различных внешних условиях. В области эксплуатационных температур преобладает воздействие статической компоненты стандартного отклонения энергии молекулы в решетке, уменьшающее подвижность зарядов. При изменении энергии возмущений решетки, соответствующей нелокальному электрон–фононному взаимодействию, с 5 до 100 мэВ подвижность уменьшается в 17 раз. Изменение углов взаимной ориентации молекул изменяет энергию межмолекулярного взаимодействия на 0,1–1 эВ, что согласуется с данными моделирования подвижности зарядов. Практическая значимость. Методы применяются в оптоэлектронике: фотовольтаические элементы, органические светодиоды и светотранзисторы, аккумуляторы, дисплеи.

Ключевые слова:

органические полупроводники, оптоэлектроника, электронная подвижность, межмолекулярная энергия взаимодействия, модель диффузии, метод межатомных потенциалов, дисплеи, прозрачная электроника

Благодарность:

работа частично поддержана Российским научным фондом, проект № 22-19-00157 от 16.05.2022

Коды OCIS: 160.4890, 160.6000

Список источников:

1. Жукова М.О., Перлин Е.Ю. Поглощение света свободными электронами в полупроводниках. II. Процессы с участием акустических фононов // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 10. С. 3–6.
Zhukova M.O., Perlin E.Yu. Absorption of light by free electrons in semiconductors. II. Processes involving acoustic phonons // J. Opt. Technol. 2017. V. 84. № 10. P. 651–653. https://doi.org/10.1364/JOT.84.000651
2. Беляев В.В., Чилая Г.С. Жидкие кристаллы в начале XXI века. М.: ИИУ МГОУ, 2017. 142 с.
Belyaev V.V., Chilaya G.S. Liquid crystals at the beginning of the XXI century [in Russian]. Moscow: Moscow Region State University Editorial Office, 2017. 142 p.
3. Yuvaraj A.R., Renjith A., Kumar S. Novel electrondeficient phenanthridine based discotic liquid crystals // J. Molecular Liquids. 2018. V. 272. P. 583–589. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.09.120
4. Vinayakumara D.R., Ulla H., Kumar S., et al. New fluorescent columnar mesogens derived from phenanthrene-cyanopyridone hybrids for OLED applications // Mat. Chem. Frontiers. 2018. V. 2. № 12. P. 2297–2306. https://doi.org/10.1039/C8QM00377G
5. Vinayakumara D.R., Kumar S., Adhikari A.V. Supramolecular columnar self-assembly of wedge-shaped rhodanine based dyes: Synthesis and optoelectronic properties // J. Molecular Liquids. 2019. V. 274. P. 215–222. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.10.139
6. Казак А.В., Беляев В.В., Чаусов Д.Н. и др. Способ формирования флуоресцентных тонких пленок на основе смешанно-замещенного производного фталоцианина // Патент РФ № 2806720. Бюл. 2022. № 19.
Kazak A.V., Belyaev V.V., Chausov D.N., et al. Method for forming fluorescent thin films based on a mixedsubstituted phthalocyanine derivative // Russian Federation Patent № 2806720. Bull. 2022. № 19.
7. Hu P., He X., Jiang H. Greater than 10 cm2 V–1 s–1: A breakthrough of organic semiconductors for fieldeffect transistors // InfoMat. 3. № 6. P. 613–630. https://doi.org/10.1002/inf2.12188
8. Rolin C., Kang E., Lee J.-H., et al. Charge carrier mobility in thin films of organic semiconductors by the gated van der Pauw method // Nature Commun. 2017. V. 8. № 1. P. 14975. https://doi.org/10.1038/ncomms14975
9. Karl N. Charge-carrier mobility in organic crystals // Organic Electronic Materials: Conjugated Polymers and Low Molecular Weight Organic Solids. 2001. V. 41. P. 283–326. https://doi.org/10.1007/978-3-642-56425-3_8
10. Paterson A.F., Singh S., Fallon K.J., et al. Recent progress in high-mobility organic transistors: A reality check // Adv. Mat. 2018. V. 30. № 36. P. 1801079. https://doi.org/10.1002/adma.201801079
11. Sosorev A.Yu. Simple charge transport model for efficient search of high-mobility organic semiconductor crystals // Materials & Design. 2020. V. 192. P. 108730. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108730
12. Zhou Q., Yang J., Du M., et al. New near-infrared absorbing conjugated electron donor-acceptor molecules with a fused tetrathiafulvalene naphthalene diimide framework // J. Mat. Chem. C. 2022. V. 10. № 7. P. 2814–2820. https://doi.org/10.1039/D1TC04291B
13. Денисюк И.Ю., Мешков А.М., Акимов И.А. Электрофотографические фоторецепторы на основе сублимированных фталоцианинов // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 5. С. 3–7.
Denisyuk I.Y., Meshkov A.M., Akimov I.A. Electrophotographic photoreceptors based on sublimated phthalocyanines // J. Opt. Technol. 2003. V. 70. № 5. P. 303–305. https://doi.org/10.1364/JOT.70.000303
14. Казак А.В., Усольцева Н.В., Смирнова А.И. и др. Оптические свойства и надмолекулярная организация гольмиевого комплекса смешанно-замещенного фталоцианина в пленках Ленгмюра–Шеффера // Макрогетероциклы. 2015. Т. 8. № 3. С. 284–289.
Kazak A.V., Usol'tseva N.V., Smirnova A.I., et al. Optical properties and supramolecular organization of mix-substituted phthalocyanine holmium complex in Langmuir–Schaefer films [in Russian] // Macroheterocycles. 2015. V. 8. № 3. P. 284–289. https://doi.org/10.6060/mhc150972k
15. Israelachvili J.N. Intermolecular and surface forces. London: Academic Press, 2011. 645 p.
16. Chausov D.N., Suleymanova S., Kazak A.V., et al. Intermolecular interactions of layers octa-phenyl-2,3- naphthalocyaninato zinc // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2056. № 1. P. 012014. https://doi.org/10.1088/1742- 6596/2056/1/012014
17. Dadivanyan A.K., Pashinina Y.M., Chausov D.N., et al. Mesogen molecules orientation on crystal surfaces // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 2011. V. 545. № 1. P. 159–167. https://doi.org/10.1080/15421406.2011.571998
18. Казак А.В., Дубинина Т.В., Чаусов Д.Н. и др. Самоорганизация субфталоцианина бора A2B типа в плавающих слоях и пленках Ленгмюра–Шеффера // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2021. Т. 21. № 1. С. 72–80. https://doi.org/ 10.18083/LCAppl.2021.1.72
Kazak A.V., Dubinina T.V., Chausov D.N., et al. Selforganization of A2B type boron subphthalocyanine in floating layers and Langmuir–Schaeffer films [in Russian] // Liquid Crystals and their Application J. 2021. V. 21. № 1. P. 72–80.
19. Kazak A.V., Marchenkova V.A., Dubinina T.V., et al. Self-organization of octa-phenyl-2,3-naphthalocyaninato zinc floating layers // New J. Chem. 2020. V. 44. P. 3833–3837. https://doi.org/10.1039/c9nj06041c