В МИФИ разработали аналитическую модель подвижности в дипольных стеклах

Исследования специалистов НИЯУ МИФИ подтверждают применимость концепции эффективного транспортного уровня для моделирования органических материалов с коррелированным беспорядком. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Journal of Physical Chemistry.

Специалистами кафедры физики конденсированных сред Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ разработана аналитическая модель для зависимости подвижности носителей заряда в неупорядоченных органических материалах с дальнодействующими корреляциями энергий (т.н. дипольных стеклах) от напряженности электрического поля. Моделирование характеристик транспорта (переноса) носителей заряда в этих материалах, важнейшей из которых является подвижность, представляет большой интерес, поскольку позволяет предсказывать характеристики и, таким образом, оптимизировать электронные устройства на основе этих материалов (светодиоды, фотовольтаические элементы, полевые транзисторы, и др).

Транспорт электронов (дырок) в неупорядоченных органических полупроводниках является прыжковым, т.е. происходит путём некоррелированных туннельных перескоков между локализованными состояниями с участием фононов. Особенностью такого переноса, как известно из многочисленных экспериментов, является достаточно сильная (т.н. Пул-Френкелевская) зависимость подвижности от электрического поля. Для полярных материалов эта зависимость получила объяснение на основе модели дипольного стекла, согласно которой разброс энергий локализованных состояний возникает вследствие взаимодействия заряда с хаотически ориентированными собственными дипольными моментами окружающих молекул. Известно, что дальнодействующий характер этого взаимодействия приводит к дальнодействующим корреляциям энергий (корреляционная функция убывает с ростом расстояния r между прыжковыми центрами как 1/r). Таким образом, достаточно глубокое состояние находится в центре квази-кулоновской потенциальной ямы, и освобождение носителя с него подобно разделению зарядов близнецовой (геминальной) пары.

Применение известной модели Онзагера и концепции транспортного уровня позволило получить аналитическое выражение, которое после несложного интегрирования дает полевую и температурную зависимость подвижности. Применимость этой модели подтверждается хорошим совпадением с известными экспериментальными данными и результатами Монте-Карловского (МК) моделирования. При этом результат не содержит числовых коэффициентов, которые есть в подгоночной формуле, выражающей результаты МК-моделирования, зависимость которых от параметров материала точно неизвестна.

Значение работы также в том, что она подтверждает применимость концепции эффективного транспортного уровня для моделирования органических материалов с коррелированным беспорядком.