Charge transport in amorphous organic semiconductors [Elektronische Ressource] / Alexander Lukyanov

Alexander Lukynaov, 1.704, Tel. 149

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• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English
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Extrait

Charge Transport
in amorphous
organic semiconductors
Dissertation
zur Erlangung des Grades
“Doktor der Naturwissenschaften”
am Fachbereich Physik
der Johannes Gutenberg-Universit¨at Mainz
Alexander Lukyanov
geb. in Glasow, Russland
Max-Planck-Institut fu¨r Polymerforschung
Mainz, M¨arz 2011Abstract
Organic semiconductors with the unique combination of electronic and me-
chanical properties may offer cost-effective ways of realizing many electronic
applications, e. g. large-area flexible displays, printed integrated circuits and
plastic solar cells. In order to facilitate the rational compound design of
organic semiconductors, it is essential to understand relevant physical prop-
erties e. g. charge transport. This, however, is not straightforward, since
physical models operating on different time and length scales need to be
combined. First, the material morphology has to be known at an atom-
istic scale. For this atomistic molecular dynamics simulations can be em-
ployed, provided that an atomistic force field is available. Otherwise it has
to be developed based on the existing force fields and first principle calcula-
tions. However, atomistic simulations are typically limited to the nanometer
length- and nanosecond time-scales. To overcome these limitations, system-
atic coarse-graining techniques can be used.
In the first part of this thesis, it is demonstrated how a force field can be
parameterized for a typical organic molecule. Then different coarse-graining
approachesareintroducedtogetherwiththeanalysisoftheiradvantagesand
problems. When atomistic morphology is available, charge transport can
be studied by combining the high-temperature Marcus theory with kinetic
Monte Carlo simulations.
Theapproachisappliedtotheholetransportinamorphousfilmsoftris(8-
hydroxyquinoline)aluminium (Alq ). First the influence of the force field3
parametersandthecorrespondingmorphologicalchangesonchargetransport
is studied. It is shown that the energetic disorder plays an important role for
amorphous Alq , defining charge carrier dynamics. Its spatial correlations3
govern the Poole-Frenkel behavior of the charge carrier mobility. It is found
that hole transport is dispersive for system sizes accessible to simulations,
meaning that calculated mobilities depend strongly on the system size. A
method for extrapolating calculated mobilities to the infinite system size is
proposed, allowing direct comparison of simulation results and time-of-flight
experiments. The extracted value of the nondispersive hole mobility and its
electricfielddependenceforamorphousAlq agreewellwiththeexperimental3
results.
IIIIVZusammenfassung
Organische Halbleiter weisen eine Kombination von elektronischen und
mechanischen Eigenschaften auf, die eine kostengu¨nstige Realisierung vieler
elektronischen Anwendungen, z. B. großfl¨achige flexible Displays, gedruckte
integrierte Schaltungen oder Kunststoff-Solarzellen erm¨oglichen k¨onnen. Im
ZugedesEntwurfsneuerorganischerHalbleiteristeswichtig,relevantephysi–
kalische Eigenschaften zu verstehen, z. B. Ladungstransport. Dies ist jedoch
mit Schwierigkeiten verbunden, da mehrere Modelle, die Effekte auf unter-
schiedlichenZeit-undL¨angenskalenbeschreiben,kombiniertwerdenmu¨ssen.
Zun¨achstmussdieMaterialmorphologiemitatomistischerAufl¨osungbekannt
sein. Diese kann durch Molekulardynamik-Simulationen generiert werden,
unter der Voraussetzung, dass ein atomistisches Kraftfeld zur Verfu¨gung
steht, welches auf der Basis bestehender Kraftfelder und ab-initio Rech-
nungen entwickelt werden kann. Allerdings sind atomistische Simulationen
auf L¨angen- und Zeitskalen beschr¨ankt, die in der Gr¨oßenordnung einiger
Nanometer bzw. Nanosekunden liegen. Um gr¨oßere Skalen zu erschließen
k¨onnen systematische Vergr¨oberungstechniken (Coarse-Graining) verwendet
werden.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie ein Kraftfeld fu¨r ein typ-
isches organisches Moleku¨l parametrisiert werden kann. Dann werden ver-
schiedeneVergr¨oberungsans¨atzeeingefu¨hrtundderenVorteileundProbleme
diskutiert. Sobald eine atomistische Morphologie zur Verfu¨gung steht, kann
der Ladungstransport durch eine Kombination der Hochtemperatur-Marcus-
Theorie mit der kinetischen Monte-Carlo-Methode simuliert werden.
Dieser Ansatz wird verwendet, um den L¨ochertransport in amorphen
Schichten von Tris-(8-Hydroxychinolin)-Aluminium zu simulieren. Zun¨achst
wird der Einfluss der Kraftfeldparameter und der entsprechenden morpholo-
gischenVer¨anderungenaufdenLadungstransportuntersucht. Eswirdgezeigt,
dass die energetische Unordnung im System eine wichtige Rolle spielt. Diese
beeinflusst die Ladungstr¨agerdynamik erheblich, entsprechende r¨aumliche
Korrelationen beeinflussen das Poole-Frenkel-Verhalten der Ladungstr¨ager–
mobilit¨at. Es ist zu beobachten, dass L¨ochertransport dispersiven Charak-
ter besitzt, d. h. berechnete Beweglichkeiten h¨angen stark von der Sys-
temgr¨oße ab. Es wird ein Verfahren zur Extrapolation der berechneten
Beweglichkeiten zur unendlichen Systemgr¨oße vorgeschlagen, das einen di-
rekten Vergleich der Simulationsergebnisse zu Time-Of-Flight-Experimenten
erm¨oglicht. DieextrahiertenWertedernichtdispersivenLo¨chermobilit¨atund
ihre Abh¨angigkeit vom elektrischen Feld stimmen fu¨r amorphes Alq gut mit3
den experimentellen Ergebnissen u¨berein.
VVIContents
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1.2 Mobility measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 Time-of-flight measurements . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Diode and transistor measurements . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Summary: mobility measurements . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Importance of theory and simulation . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Theoretical description of charge transport 13
2.1 High temperature semi-classical Marcus theory . . . . . . . . . 14
2.2 Reorganization energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Transfer integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Free energy difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Gaussian disorder model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Temperature dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.2 Field dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.3 The nondispersive to dispersive transition . . . . . . . 21
2.5.4 Expression for the mobility. . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6 Role of site energy spatial correlations . . . . . . . . . . . . . 22
2.7 Charge transport in realistic morphologies . . . . . . . . . . . 23
3 Morphology simulations 27
3.1 Molecular dynamics simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Force field development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 DP-PPV force field as an example . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1.1 Parametrization of backbone dihedrals . . . . 30
VII3.2.1.2 Force-field validation . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1.3 DP-PPV force-field . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Limitations of MD simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 Coarse-graining techniques 37
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Boltzmann inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Iterative Boltzmann inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Inverse Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5 Force matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5.1 FM method: formal statistical mechanical derivation . 46
4.5.2 FM method: connections to the liquid state theory . . 48
4.6 Relationship between CG methods . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Comparison of coarse-graining techniques 51
5.1 Coarse-graining of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2 Coarse-graining of methanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Liquid propane: from an all- to an united-atom description . . 57
5.4 Angular potential of a hexane molecule . . . . . . . . . . . . . 59
6 Conformational structure of PPV derivatives 63
6.1 Atomistic molecular dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.1.1 Alkyl side chain stretching in solvated DP-PPV . . . . 65
6.1.2 Orientational correlations in solvated DP-PPV . . . . . 66
6.1.3 Planarity and tacticity of solvated DP-PPV . . . . . . 67
6.1.4 DP-PPV melt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.1.5 Atomistic molecular dynamics: summary . . . . . . . . 71
6.2 A coarse-grained model for DP10-PPV . . . . . . . . . . . . . 71
6.2.1 Bonded interaction potentials . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.2 Non-bonded interaction potentials . . . . . . . . . . . . 72
6.2.3 Coarse-grained simulations of DP10-PPV in chloroform 74
6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7 Morphology and charge transport in amorphous