Автореферат (Транспорт носителей заряда в молекулярно допированных полимерах)

Работа выполнена в Национальном исследовательском университете «Высшая школа ЭКОНОМИКИ» Тютнев Андрей Павлович, доктор физикоматематических наук, нрофессор, Национальный исследовательский университет «Высшая школа Тамеев Алексей Раисович, доктор физикоматематических наук, ведуший ~~у~ныЙ сотрудник, Институт физической химии и злекгрохимии РАН им. А. Н. Фрумкина. г. Москва Ведушая организация; Автореферат разослан «» Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор Чернов И.И. Просим нринять участие в работе с~вета или нрислать отзыв в двух зкземнлярах, заверенных г1ечд'гьк) организации. Актуальность темы Молекулярно допированные полимеры (МДП) представляют собой твердый раствор низкомолекулярного соединения 1допанта) в полимере-связке.

В настоящее время подобные полимеры широко используются в качестве транспортных слоев в таких устройствах как множительные аппараты и лазерные принтеры, многослойные полимерные светоизлучающие диоды индикаторов информации большой площади, а также в модуляторах световых пучков, Для определения подвижности носителей заряда (основной характеристики транспорта) традиционно использовали оптический вариант времени пролета как при прямой ионизации молекул допанта в тонком «порядка 0,2 мкм) приповерхностном слое, так и при инжекции подвижных носителей заряда 1обычно, дырок) из специального генерационного слоя.

В течение 10 лет, начиная с 1980 г., проведены многочисленные исследования температурной, полевой и концентрационной ~относительно молекул допанта) зависимостей подвижности в МДП, предложена модель гауссова беспорядка (МГБ) для интерпретации полученных результатов, а также базирующийся на ней формализм дипольного беспорядка. В 1998 г. предложена модель диполь ного стекла ~МДС), позволившая впервые обосновать полевую зависимость подвижности по закону Пула-Френкеля, этого краеугольного камня формализма дипольного беспорядка, Полуэмпирические формулы„предложенные в этих моделях для обработки экспериментальных данных, относятся к квазнравновесному режиму транспорта с практически постоянной подвижностью.

Разработанная в МИЭМ радиационно-индуцированная методика времени пролета, использующая пучки моноэнергетических электронов в диапазоне энергий от 1 до 50 кэВ, позволила существенно расширить экспериментальные возможности изучения транспорта носителей заряда в неупорядоченных органических системах и установить тот факт, что в действительности транспорт носителей заряда в большинстве МДП является неравновеспым, при котором подвижность и коэффициент диффузии не являются постоянными величинами. В литературе этот вопрос так и не получил должного внимания. С точки зрения электрооптического устройства неявная зависимость подвижности от толщины транспортного слоя может быть легко подкорректирована при проведении инженерных испытаний еще на этапе его разработки. С научной точки зрения этот вопрос имеет фундаментальное значение, поскольку определение параметров моделей требует теперь применения не полуэмпирических формул, а полномасштабных численных расчетов моделей с подгоночными параметрами и последукнцим сравнением полученных результатов с экспериментом.

Учитывая многофакторность задачи, мы сталкиваемся при ее решении с проблемой неоднозначности для значений параметров модели. Перечисленные выше обстоятельства свидетельствуют об актуальности проведения исследований в области транспорта носителей заряда в МДП с особым вниманием к вопросу о роли неравновесности транспорта в этом физическом явлении.

Цель работы Установление характера влияния неравновесности транспорта на температурно- полевую зависимость подвижности носителей заряда в МДП и бимолекулярную рекомбинацию в них, Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: е Проанализированы существующие модели транспорта носителей заряда в МДП, используемые для описания температурно-полевой зависимости подвижности носителей заряда в МДП и бимолекулярной рекомбинации в них. ° На основе модели многократного захвата выполнены расчеты времяпролетных кривых с параметрами для модельного МДП в широком интервале полей и температур как для однородного, так и двухслойного образца полимера, и проведено сравнение с существующими экспериментальными данными.

° Определена роль полимерной матрицы в формировании переходного тока в МДП при проведении исследований с использованием радиационно-индуцированного метода времени пролета при коротких временах после прохождения импульса излучения, Научнаи новизна Впервые методом численного моделирования с использованием модели многократного захвата с предписанной полевой зависимостью частотного фактора показано, что неравновесность транспорта оказывает сильное влияние на характер проявления эффекта Пула-Френкеля в МДП. Так, при истинном значении константы Пула-Френкеля 0,39 1мкм/В)"~ ее значение, найденное обработкой расчетных кривых, заметно выше, а именно 0,52 и даже 0,7 ~мкм1В) "~ для модели многократного захвата с гауссовым распределением ловушек по энергии 1ММЗ-г) с параметром распределения о = 0,123 и 0,165 эВ соответственно.

Это дает основание считать, что при определении параметра Пула-Френкеля необходимо учитывать неравновесный характер транспорта носителей заряда в МДП. Впервые показано, что модель многократного захвата для двухслойной структуры образца МДП предсказывает постоянство формы горизонтального плато на времяпролетных кривых при изменении электрического поля только для экспоненциального, но не гауссова распределения ловушек по энергии. Подобное различие может быть рекомендовано для дифференциации типа энергетического распределения ловушек в МДП. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что бимолекулярная рекомбинация избыточных носителей заряда в условиях неравновесного транспорта является квазиланжевеновской при ее трактовке в рамках модели Роуза-ФаулераВайсберга 1РФВ) даже в МДП с предельно низкой концентрацией допанта ~до 6 мас.

%). Впервые установлено, что ионизация полимерной матрицы в радиационноиндуцированном методе не оказывает заметного влияния на транспорт дырок по молекулам допанта. Показано, что при энергии беспорядка, большей 0,11 эВ, транспорт носителей заряда в МДП является неравновесным в типичных условиях проведения времяпролетного эксперимента 1температура 293 К, поле 5--60 В/мкм, толщина образцов 10-25 мкм) несмотря на то, что на кривых переходного тока может наблюдаться горизонтальное плато. Научная и практическая значимость работы 1.

Полученные в диссертации теоретические результаты можно использовать для оценки работоспособности транспортных слоев в сильных электрических полях в множительных аппаратах, лазерных принтерах и многослойных полимерных светодиодах путем определения оптимальных параметров модели и их проверки на экспериментальных результатах. Результаты можно применять в Институте физической химии и электрохимии РАН им. А,Н. Фрумкина, Центре Фотохимии РАН, НИЯУ МИФИ, Физическом институте РАН им. П.В.

Лебедева. 2. Дальнейшим развитием численного моделирования транспорта носителей заряда может быть анализ модифицированной модели РФВ в части учета полевой зависимости частотного фактора для описания радиационной электропроводности конденсаторных полимеров типа полистирола в сверхсильных электрических полях. Основные положения, выносимые на защиту 1, Физико-математическая модель, объясняющая сильное влияние неравновесности транспорта на характер проявления эффекта Пула-Френкеля в МДП, и показывающая, что при истинном значении константы Пула-Френкеля 0,39 ~мкы/В)"~ ее значение, найденное обработкой расчетных кривых, заметно выше, составляя 0,52 и даже 0,7 (мкм~В)"~ для ММЗ-г с 0=- 0,123 и 0,165 эВ соответственно.

2. Результаты численного моделирования, показывающие, что эффективный параметр о снижаегся с увеличением электрического поля„составляя 0,119 ~5 В/мкм) и 0„079 эВ (100 В/мкм) при неизменном исходном энергетическом распределении ловушек с о = 0,13 эВ. 3. Физическая модель многократного захвата для двухслойной структуры образца полимера, объясняющая постоянство формы плато при изменении электрического поля на 2 порядка для экспоненциального, но не гауссова распределения ловушек по энергии. 4, Физико-математическая модель, объясняющая квазиланжевеновский характер бимолекулярной рекомбинации избыточных носителей заряда в условиях неравновесного транспорта в МДП с предельно низкой концентрацией допанта.