August 10, 2012

UNIFICATION OF TRAP-LIMITED ELECTRON TRANSPORT IN SEMICONDUCTING POLYMERS


"Unification of trap-limited electron transport in semiconducting polymers". H. T. Nicolai, M. Kuik, G. A. H. Wetzelaer, B. de Boer, C. Campbell, C. Risko, J. L. Brédas, P. W. M. Blom. NATURE MATERIALS. In press. DOI: 10.1038/nmat3384

Electron transport in semiconducting polymers is usually inferior to hole transport, which is ascribed to charge trapping on isolated defect sites situated within the energy bandgap. However, a general understanding of the origin of these omnipresent charge traps, as well as their energetic position, distribution and concentration, is lacking. Here we investigate electron transport in a wide range of semiconducting polymers by current–voltage measurements of single-carrier devices. We observe for this materials class that electron transport is limited by traps that exhibit a Gaussian energy distribution in the bandgap. Remarkably, the electron-trap distribution is identical for all polymers considered: the number of traps amounts to 3 × 1023 traps per m3 centred at an energy of ~3.6 eV below the vacuum level, with a typical distribution width of ~0.1 eV. This indicates that the electron traps have a common origin that, we suggest, is most likely related to hydrated oxygen complexes. A consequence of this finding is that the trap-limited electron current can be predicted for any polymer.

El transporte electrónico en polímeros semiconductores usualmente es inferior al transporte de huecos, lo cual suele adjudicarse al atrapamiento de carga en defectos aislados situados en un nivel dentro de la brecha de energía. Sin embargo, no existe un entendimiento general del origen de estas trampas de carga omnipresentes, así como tampoco de su posición energética, de su distribución y de su concentración. Aquí se investiga el transporte electrónico en una amplia variedad de polímeros semiconductores, por medio de mediciones tipo corriente-voltaje en dispesitivos de portadores únicos. En estos materiales se observa que el transporte electrónico está limitado por las trampas que exhiben una distribución Gaussiana de energía en la brecha de energía. Es de destacar que la distribución de las trampas electrónicas es idéntica para todos los polímeros que se consideraron: la cantidad de trampas es de 3 × 1023 trampas por m3, centradas a una energía de ~3.6 eV por debajo del nivel de vacío, con una ancho de distribución típico de ~0.1 eV. Ésto indica que las trampas electrónicas tienen un origen común, lo cual sugiere que está relacionado principalmente con complejos de oxígeno hidratados. Una consecuencia de este resultado es que la corriente electrónica llimitada por trampas puede ser predicha para cualquier polímero.

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