Charge carrier mobility in non-equilibrated transport in molecular materials

• Autorzy: Kania Sylwester , Kościelniak-Mucha Barbara , Kuliński Janusz , Słoma Piotr , Wojciechowski Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.34658/physics.2019.40.37-46

Warianty tytułu

PL

Ruchliwość nośników ładunku w przewodnictwie nierównowagowym materiałów molekularnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Non-equilibrated transport of charge carriers in the molecular material depends on the structure and packing of the molecules. Explanation of the measurements of the photocurrent generated with use of UV flash light in organic layer needs to define the quantity of charge carriers mobility. Definition of this quantity in the scope of some defined transport model requires the detailed analysis of generation, recombination and charge transfer between neighbouring molecules. The problem is discuss on the basis of transport properties of two anthracene derivatives.

PL

Opis nierównowagowego transportu nośników ładunku w warunkach fotoprądu wzbudzanego impulsem światła wymaga zdefiniowania ruchliwości nośników ładunku. Definicja tej wielkości w odniesieniu do określonego modelu transportu wymaga wnikliwej analizy procesów generacji, rekombinacji i transferu ładunku pomiędzy sąsiadującymi cząsteczkami. W tej pracy do opisu transportu nośników ładunku w antronie i antrachinonie wykorzystano teorię Marcusa–Husha, która dotyczy transportu hoppingowego. Uzyskano prawie identyczne wartości ruchliwości dziur w obu materiałach, tj. 1,7·10^-2 cm²/Vs oraz identyczne wartości ruchliwości elektronów 4,7·10^-2 cm²/Vs. Pomimo prostoty rozważań teoretycznych uzyskane wyniki obliczeń dają jakościowo poprawny obraz transportu, zgodny z wynikami doświadczalnymi. Dla obu związków wartości ruchliwości obliczone za pomocą teorii Marcusa-Husha zarówno dla transportu dziur jak i dla transportu elektronów są w zakresie transportu hoppingowego.

Słowa kluczowe

EN

charge transfer mobility; photocurrent; hopping transport; Marcus-Hush theory

PL

ruchliwość nośników ładunku; fotoprąd; transport hoppingowy; teoria Marcusa-Husha

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Scientific Bulletin. Physics / Lodz University of Technology
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 40
• Strony: 37--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz.

Twórcy

autor

Kania Sylwester

• Institute of Physics, Lodz University of Technology, ul. Wólczańska 219, 90-924 Łódź, Poland
• Centre of Mathematics and Physics, Lodz University of Technology, al. Politechniki 11, 90-924 Łódź, Poland

autor

Kościelniak-Mucha Barbara

• Centre of Mathematics and Physics, Lodz University of Technology, al. Politechniki 11, 90-924 Łódź, Poland

autor

Kuliński Janusz

• Centre of Mathematics and Physics, Lodz University of Technology, al. Politechniki 11, 90-924 Łódź, Poland

autor

Słoma Piotr

• Centre of Mathematics and Physics, Lodz University of Technology, al. Politechniki 11, 90-924 Łódź, Poland

autor

Wojciechowski Krzysztof

• Centre of Mathematics and Physics, Lodz University of Technology, al. Politechniki 11, 90-924 Łódź, Poland

Bibliografia

• [1] Kwon J., Takeda Y., Shiwaku R., Tokito S., Cho K., Jung S. 2019. Threedimensional monolithic integration in flexible printed organic transistors. Nat. commun., 10: 54-1-54-9. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07904-5
• [2] Irfan A., Al-Sehemi A., A Assiri M., Mumtaz M.W. 2019. Exploring the electronic, optical and charge transfer properties of acene-based organic semiconductor materials. Bull. matter. sci. 42: 145-1–145-7.
• [3] Wazzan N., Irfan A. 2018. Theoretical study of triphenylamine-based organic dyes with mono-, di-, and tri-anchoring groups for dye-sensitized solar cells. Org. electr. 63: 328-342. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.09.039
• [4] Blakesley J.C., Castro F. A., Kylberg W., Dibb G. F.A., Arantes C., Valaski R., Cremona M., Kim J. S., Kim J.-S. 2014. Towards reliable charge-mobility benchmark measurements for organic semiconductors. Org. electr. 15: 1263-1272. http://dx.doi.org/10.1016/j.orgel.2014.02.008
• [5] de Boer R.W.I., Jochemsen M., Klapwijk T.M., Morpurgo A.F. 2004. Space charge limited transport and time of flight measurements in tetracene single crystals: a comparative study. J. appl. phys. 95: 3, 1196-1202. https://doi.org/10.1063/1.1631079
• [6] Slouf M. 2002. Determination of net atomic charges in anthraquinone by means of 5-h X-ray diffraction experiment. J. mol. struct. 611: 1-3, 139-146. https://doi.org/10.1016/S0022-2860(02)00060-1
• [7] Gaussian 09, Revision A.02. 2009. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Peralta Jr. J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J., Wallingford CT: Gaussian, Inc.
• [8] Kania S., Kościelniak-Mucha B., Kuliński J., Słoma P. 2016. The effect of symmetry of a molecule electronic density on the dipole moment of unit cell and hole conductivity of thin polycrystalline films of anthrone and anthraquinone. Sci. bull. techn. univ. lodz, physics, 37: 49-64. https://doi.org/10.34658/physics.2016.37.49-64
• [9] Kania S., Kościelniak-Mucha B., Kuliński J., Słoma P. 2015. Effect of molecule dipole moment on hole conductivity of polycrystalline anthrone and anthrachinone layers. Sci. bull. techn. univ. lodz, physics, 36: 13-26. http://cybra.lodz.pl/dlibra/publication/17133/edition/13805/content
• [10] Yan L., Qi M., Li A., Meng H., Zhao X., Ali M., Xu B. 2019. Investigating the single crystal OFET and photo-responsive characteristics based on an anthracene linked benzo[b]benzo[4,5]thieno[2,3-d]thiophene semiconductor. Org. electr. 72: 1-5. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2019.05.039
• [11] Landolt-Börnstein. 1971.Zahlenwerte und Funktionen aus Naturwissenschaften und Technik, Berlin:Springer Verlag.
• [12] Troisi A., Orlandi G. 2006. Charge- transport regime of crystalline organic semiconductors: diffusion limited by thermal off-diagonal electronic disorder. Phys. rev. lett. 96: 086601-1-086601-4. DOI: 10.1103/PhysRevLett.96.086601
• [13] Troisi A., Orlandi G., Anthony J.E. 2005. Electronic interactions and thermal disorder in molecular crystals containing cofacial pentacene units. Chem. mater. 17: 5024-5031. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/cm051150h
• [14] Kania S. 2014. Hole drift mobility of anthrone and anthrachinone layers with different structures. Sci. bull. techn. univ. lodz, physics, 35: 17-24. http://cybra.lodz.pl/dlibra/publication/15667/edition/12516/content
• [15] Kania S., Dłużniewski M. 2005.Charge carrier lifetime in DLC films, Diamond & related materials 14: 1, 74-77. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2004.07.015
• [16] Fritzsche H., Proc. Int. Summer School on Semiconductors, ESPOO, Helsinki, 1982, p. 2.
• [17] Datta A., Mohakud S., Pati S.K. 2007. Electron and hole mobilities in polymorphs of benzene and naphthalene: role of intermolecular interactions. J. Chem. Phys. 126: 144710-1-144710-6. https://doi.org/10.1063/1.2721530
• [18] Kania S., Kuliński J., Sikorski D. 2018. The origin of the interactions responsible for the difference of hole mobility of two derivatives of anthracene. Sci. bull. techn. univ. lodz, physics, 39: 27-35. https://doi.org/10.34658/physics.2018.39.27-35
• [19] Deng W-Q., Goddart III W.A. 2004, Predictions of hole mobilities in oligoacene organic semiconductors from quantum mechanical calculations. J. phys. chem. B108: 8614-8621. https://pubs.acs.org/toc/jpcbfk/108/25
• [20] Wen S.-H., Li A., Song J., Deng W.-Q., Han K.-L., Goddart III W.A. 2009. Firstprinciples investigation of anisotropic hole mobilities in organic semiconductors. J. phys. chem. B113: 8813-8819. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp900512s
• [21] Köhler A., Bässler H. 2011. What controls triplet exciton transfer in organic semiconductors? J. mater. chem. 21: 4003-4011. https://doi.org/10.1039/c0jm02886j
• [22] Kania S. 2009. Electron drift mobility in amorphous anthrone layers. Sci. Bull. Techn. Univ. Lodz, Physics, 30: 65-72. http://cybra.lodz.pl/dlibra/doccontent?id=3532

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).