有机化学半导性初探

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：材料的半导性是因其电子结构禁带的存在造成的，此原理同样适用于有机半导体。因此有机固体的电导率低于无机固体。

材料的半导性是因其电子结构禁带的存在造成的，此原理同样适用于有机半导体。

8.3.1.1 有机化学的能带理论

为了从化学的角度理解分子键的类型和电子性质，需研究少量金属原子发生相互作用的情况。当两个原子距离足够近时，它们的轨道发生相互作用，两者的波函数也相互作用：结果其中一个波函数的能量高（称为反键），另一个波函数的能量低（称为成键）。结果，n个原子的相互作用将产生n个非常接近的能级，其中一些为成键，另一些为反键（一起被称为能带）（见图8-5）。

图8-5 两个原子间的键生成及其对电子能级的影响

在金属内部，能带是半满的，最稳定的能级是倍满的，而其余的一半更高的能级却是空的。上述情况只出现在绝对零度条件下。其他温度下，许多能级因波尔兹曼分布和能级相近而被部分填满，所以界限变得很模糊。最满的能级被称为费米能级。

8.3.1.2 与常规半导体的区别

与无机固体相比，有机固体的一个显著区别是分子实体因范德瓦尔斯相互作用（van der Waals interactions）而束缚在一起，但是分子内键合更强。所以分子间的相互作用较弱且自由平均路程大致等于分子间的距离。结果，有机材料的能带结构是定域的，整个结构上不是非定域的。

总的来说，由于分子间相互作用较弱，有机固体结构和单分子有许多相同的特性。对于单个分子，为了获得更高的能量，各原子核结合在一起形成势阱，并构成一个更大的阱。

深级原子轨道被限制在原子核势阱内，而能量较高的原子轨道相互作用形成非定域原子轨道，但轨道仅在分子内。要区别以下两个能级：HOMO（最高被占用分子轨道）能级和LUMO（最低未占用分子轨道）能级，它们分别对应着无机半导体的价带和导带，但局限于分子这一级。

在无机固体内，电荷的输运是不连贯的。所有输运位点（site）都是固定的，因为无序势（disorder potential）远高于有序结构的比例。因此有机固体的电导率低于无机固体。以化学角度看，电荷输运因分子间或几部分分子间的氧化还原过程而发生。

图8-6 有机半导体电子能带结构的比较和有组织有机半导体（左下图）电子能级与无组织有机半导体（右下图）电子能级的比较

如图8-6所示，非晶态有机固体有两种高斯型定域能级密度。因此常用布朗运动定律（Brownian Motion Laws）或蒙特卡罗算法（Monte Carlo Algorithms）建立电荷输运模型。

另一方面，不明显的分子间界限增强了机械柔韧性，同时没有增加缺陷的形成，大大增加了将发光器件安装于柔性衬底上的可行性，从而使制造整合性的显示设备或照明器件成为可能。

有机化学半导性初探

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