基于渡越时间法的有机材料光电特性测量

冯志书 陶忠祥 田春艳 赵 添

（中国人民解放军空军航空大学 作战指挥系，吉林 长春130022）

0 引言

有机电致发光材料及其器件在现代显示领域中受到人们的广泛关注，由于其具有不可比拟的优势。与此同时，有机光伏电池因其成本低、工艺简单、易制成大面积器件等很多优点成为一个研究热点，为太阳能的利用开辟了新的道路。由于有机电致发光器件和有机光伏器件具有相似的结构，因而某一有机器件可能兼有电致发光和光伏两方面的性能。

近十几年里，随着对电致发光器件的深入研究，尤其是对光电转换过程中微观机制的深刻理解和新型有机光电材料的不断出现，对有机电致发光器件的研究取得了长足的进步。目前研究工作主要是开发新的高荧光效率材料，注入材料和载流子输运材料，完善有机材料成膜技术，改进电致发光器件的结构以及对器件内部发光本质进行研究。德国与奥地利联合兴建了湿法光电池公司，其核心技术之一就是要将具有优良感光性能的有机染料与无机半导体材料复合起来，实现效率超过10%的光电转换。最初有机电光电池的光电转换效率仅为十万分之几，而目前已经达到百分之几，同时使用寿命稳步延长，已经接近实用化水平。特别是以有机聚合物为基础的光敏材料，易于制备成本低、面积大的光电池，显示出非常诱人的应用前景。这些成果和材料研制过程体现出来的创新思维，对有机光电池材料及其相关器件的设计有重要的意义。

在器件性能方面，很重要的一个参数就是材料的载流子迁移率，因为它从根本上决定了电致发光器件的响应时间和光电转换效率。因此，对载流子迁移率的测量成为薄膜发光材料研究的重要方法。

1 试验方法

本试验采用渡越时间（TOF）方法，该方法是一种光电测量方法，其基本原理为：在样品上加上适当的直流电压，假定ITO上加上正电压，选择适当脉宽的脉冲光（如氮分子激光器脉宽为4ns），利用透明电极激励样品，使之产生薄层的电子－空穴对。空穴被拉向负极方向作薄层运动。假设薄层状态不变，则运动速度为μE。如假定样品中仅有有限的陷阱，并且陷阱密度均匀，则电量损失与载流子寿命τ有关，此时下电极将因载流子的运动形成感应电流，且随时间增大。t时刻有

若式中L为样品厚度，且电场足够强，t≤τ，且渡越时间tτfflt;τ0则tτ时刻电压将发生明显变化，由实验可确定tτ，则

式中L、V和tτ皆为实验测量的物理量，因此μ值可求。

2 实验及分析

2.1 实验装置

渡越时间法测试系统的实验装置如图1所示，装置中各个器件介绍如下。

（1）激光器，我们用的是Nd：YAG激光器；

（2）样品，一般制作成两侧带电极的三明治式结构（ITO电极/有机薄膜/Al电极）；

（3）取样电阻；

（4）示波器，我们采用Tektronix TDS2022示波器；

（5）计算机。

图1 渡越时间测试系统的实验装置

2.1.1 激光器

我们实验室使用的是固体Nd：YAG激光器，它用来提供一定频率的光信号，不同的材料需要激光器的发光频率不同，激光器发光频率要在材料的吸收光频率范围内。

2.1.2 样品

待测样品本身构成测试回路的一部分，样品一般制作成两侧带电极的三明治式结构（ITO电极/有机半导体薄膜/Al电极）。为了在脉冲激光的激励下在样品中有效地产生光生载流子，要求两个电极中至少有一个是透明或半透明的，以方便激励光入射。待测试材料必须有较高的光生载流子能力。对不同的聚合物材料，通过选择激励光的波长使其处在有机材料的吸收区内，使被测样品尽可能产生高的载流子。聚合物光电材料一般都具有较高的光生载流子能力，样品厚度在1μm～10μm之间，选择的激光波长在320nm～580nm范围内。我们实验的膜材料为Si和MEH-PPV。

2.1.3 示波器

待测样品中瞬态光电流通过测试回路，取样电阻两端的电压降值与瞬态电流成正比。采用高频数字示波器可探测出该电压降值与时间的变化关系。由于实验中光生载流子渡越时间、电路积分时间、载流子寿命等时间量的大小均在微秒、毫秒量级上，因此示波器的响应速度必须足够快。实验中，根据样品的厚度和取样电阻的大小选取合适的输入阻抗，示波器的频率一般在500MHz左右。我们实验中采用的是Tektronix TDS 2022示波器。

2.1.4 电阻

R为取样电阻，阻值远小于样品电阻（一般为几百千欧姆或更大）。我们所得到的曲线实际上是信号电阻两端的电流－时间曲线。由于电阻和被测材料是串联的，测得的信号电阻上的曲线就可以反映材料上的电流随时间的变化。在保证得到好的实验曲线的基础上，电阻越小，测量结果越接近真实值。

2.2 实验过程及分析

按照图1把仪器连接好。首先应该确定光源的发光频率，测量出样品材料的吸收光谱，确定其吸收峰。然后确保激光器所发出来的光在材料的吸收峰上，这样才能保证产生较多的载流子。

为了验证这套实验装置的有效性，我们以单晶硅为例进行了测量，由于单晶硅是无机材料，载流子迁移率比较稳定。单晶Si载流子迁移率μ的理论值的数量级为102cm2/Vs。

2.2.1 单晶硅的实验数据及分析

实验参数：L=7mm，U=5.8V，实验所得到的曲线如图2所示。

图2 单晶硅的I-t图象

记录单晶Si实验曲线的平台边缘对应的t值。既曲线中虚线所示。由图像可以看出：

由式（3），将L，V，tt的值带入求得：μ=6.76×102cm2/Vs。

求得的单晶硅的载流子迁移率数值与理论值的量级一致。由此可见，我们这套装置是完全有效的。

验证完这套装置的有效性后，我们就可以用这套装置来测量有机MEH-PPV聚对苯乙烯类材料的载流子迁移率μ值。2.2.2 MEH-PPV聚对苯乙烯类（PPV）

采用渡越时间法测量迁移率的有机材料的吸收系数应该较大，应在105cm-1量级左右。在距样品光照表面10%深度(一般在100nm以内)内能吸收激励光子的90%以上。这样可以有效地减少测量的原理性误差。

实验参数：L=2μm，U=117V，实验所得到的曲线见图3。

图3 MEH-PPV聚对苯乙烯类I-t图像

图4 用Scher－Monstoll方法处理后的图像

采用Scher-Monstoll法对聚对苯乙烯类I-t图像进行处理，即对其横纵坐标分别取对数，所得到的图形如图4所示。

样品中光生载流子瞬态电流经历了一个相对较长的平台值过程，在某一时刻电流值急剧降低至零值。通过对光生载流子的漂移过程分析可知，电流急剧变化的时刻就是载流子漂移到对面电极并离开样品的时刻。作这一临界点前后曲线渐近线的交点，其对应的时间即为载流子的渡越时间，既图中箭头所指点对应的横坐标。由图可以看出：

t=1.462×10-4s

再根据外加电场值V和样品的厚度L，即可求出μ。

由式（3）得：μ=2.34×10-6cm2/Vs。

2.2.3 MEH-PPV不同电压下实验图

图5 MEH-PP不同电压下实验图

图6 MEH-PPV不同电压下处理后的图像

由图5与6可以看出：电压越高，载流子迁移时间越短，载流子迁移率越大；根据国外有关文献报道，用TOF法测量时，外电压多在70伏以下就能观察到明显的信号，而我们在测量时，电压低于70伏时信号较微弱，我们接下来会进一步实验，注意在低电压观察信号。

3 结论与工作展望

我们所做的工作是建立起了比较完整的测量载流子迁移率的渡越时间（TOF）法的实验装置，并用此装置对单晶硅和聚对苯乙烯类MEH-PPV材料的载流子迁移率进行了测量，实验取得了很好的测量结果。接下来我们会进一步做实验，注意在低电压观察信号。研究的重点是改变温度T，进一步测量载流子的迁移率，还要调节取样电阻，研究其对载流子迁移率的影响。

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