Спектроскопический метод оценки подвижности носителей заряда в органических полупроводниках

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-72-10165

НазваниеСпектроскопический метод оценки подвижности носителей заряда в органических полупроводниках

Руководитель Сосорев Андрей Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт спектроскопии Российской академии наук , г Москва

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова органическая электроника, транспорт заряда, подвижность носителей заряда, делокализация заряда, спектроскопия комбинационного рассеяния, электрон-фононное взаимодействие, периодические граничные условия, межмолекулярные колебания, анизотропия, мультимасштабное моделирование

Код ГРНТИ29.31.26

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Органическая электроника – быстроразвивающаяся высокотехнологичная область, предлагающая разработку и производство нового поколения электронных устройств на основе тонких пленок органических полупроводниковых соединений, обладающих рядом преимуществ перед традиционными неорганическими устройствами: гибкостью, легкостью, растяжимостью, ударопрочностью, прозрачностью, а также возможностью создания материала под конкретную задачу. Органические светодиоды (OLED) уже активно используются в экранах современных смартфонов и вытесняют с рынка традиционные жидкокристаллические экраны. За счёт потенциальной дешевизны и привлекательных механических свойств, органические электронные устройства высоко перспективны для включения в Интернет вещей, автоматизации и роботизации. Для эффективной работы органических электронных устройств нужна высокая подвижность носителей заряда в их рабочих слоях. Хотя подвижность зарядов в некоторых органических полупроводниках (ОП) сравнима с подвижностью в аморфном кремнии — широко используемом материале тонкоплёночной электроники — она существенно уступает подвижности в кристаллических неорганических полупроводниках. В связи с этим, создание новых ОП с эффективным транспортом заряда является одной из ключевых задач органической электроники. Для поиска (скрининга) новых перспективных материалов среди множества возможных ОП измерение подвижности зарядов в электронных устройствах малопригодно в силу высокой сложности, поскольку требует изготовления устройств и тщательной оптимизации их параметров. Гораздо предпочтительнее использовать экспериментальный критерий, позволяющий быстро оценить эффективность транспорта зарядов. До настоящего времени такого критерия предложено не было. В настоящем проекте предлагается разработать метод исследования электрон-фононного взаимодействия и оценки подвижности зарядов в ОП на основе спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР, рамановской спектроскопии). Недавно было обнаружено, что низкочастотные межмолекулярные колебания играют ключевую роль в ограничении подвижности зарядов в эффективных ОП, где носители заряда существенно делокализованы и движутся когерентным образом. Для оценки влияния этих колебаний в проекте впервые предлагается использовать интенсивности линий КР в низкочастотной области (10–200 см-1). На основе результатов проведённых нами предварительных исследований мы предполагаем, что влияние межмолекулярных колебаний на транспорт заряда мало, а, следовательно, подвижность зарядов в ОП велика, если низкочастотный спектр КР обладает низкой интенсивностью. Для подтверждения гипотезы, разработки спектроскопического метода изучения электрон-фононного взаимодействия и оценки подвижности носителей заряда в ОП будет проведено совместное экспериментальное и теоретическое исследование. Экспериментальная часть проекта направлена на установление связи между спектром КР и подвижностью носителей заряда, выявление корреляции между анизотропией КР и анизотропией электронно-транспортных свойств и тестирование предложенного спектроскопического метода на ряде ОП. Теоретическая часть, включающая аналитическое исследование, квантово-химический расчёт методом теории функционала плотности (ТФП, DFT), молекулярную динамику, QM/MM и мультимасштабное моделирование, направлена на установление причин и деталей взаимосвязи спектра КР, упорядоченности материала, межмолекулярной делокализации заряда и подвижности носителей заряда. Для достижения цели проекта будет объединен опыт трёх групп: МГУ им. М.В. Ломоносова, Сколковского института науки и технологий (Сколтех) и РХТУ им. Д. И. Менделеева. Научная группа из МГУ является экспертом в области экспериментального исследования ОП с помощью спектроскопических и электрофизических методов, а также описания транспорта заряда, создания органических электронных устройств и описания их работы с помощью аналитических и численных моделей. Группа из РХТУ - эксперт в области моделирования колебательной структуры кристаллов ОП. Группа из Сколтеха обладает значительным опытом мультимасштабного моделирования транспорта заряда в ОП. Проект имеет важное фундаментальное и прикладное значение. Фундаментальное значение проекта обусловлено выявлением связи электронно-транспортных свойств ОП с оптическими – спектром КР, а также исследованием ключевых факторов, определяющих транспорт заряда в ОП – межмолекулярной делокализации заряда и низкочастотных колебаний. Практическая ценность проекта обусловлена разработкой экспериментального критерия быстрой бесконтактной оценки подвижности зарядов в ОП. Такой критерий позволит проводить поиск (скрининг) перспективных материалов и, возможно, обнаружить их новые типы, что должно значительно ускорить прогресс органической электроники и оптоэлектроники. В наиболее благоприятном случае, предложенный метод удастся расширить на другие новые классы полупроводников с выраженным влиянием низкочастотных колебаний на транспорт заряда – перовскиты и дихалькогениды переходных металлов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сосорев А. Ю., Масленников Д. Р., Харланов О. Г., Чернышов И. Ю., Бруевич В. В., Паращук Д. Ю. Impact of low-frequency vibrations on charge transport in high-mobility organic semiconductors physica status solidi (RRL) - Rapid Research Letters, номер 13, том 3, 1800485 (год публикации - 2019)
10.1002/pssr.201800485

2. Сосорев А. Ю., Нуралиев М. К., Фельдман Е. В., Масленников Д. Р., Борщев О. В., Скоротецкий М. С., Сурин Н. М., Казанцев М. С., Пономаренко С. А., Паращук Д. Ю. Impact of terminal substituents on the electronic, vibrational and optical properties of thiophene–phenylene co-oligomers Royal Society of Chemistry (год публикации - 2019)
10.1039/C9CP00910H

3. Сосорев А. Ю., Чернышов И. Ю., Паращук Д. Ю., Венер М. В. Intra‐ and Intermolecular Vibrations of Organic Semiconductors and Their Role in Charge Transport Molecular Spectroscopy: A Quantum Chemistry Approach, Volume 1. Y. Ozaki, M. Wójcik, J. Popp (editors). Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Том 1, стр. 425-458 (год публикации - 2019)
10.1002/9783527814596.ch15

4. Тукачёв Н. В., Масленников Д. Р., Сосорев А. Ю., Третьяк С., Жугаевич А. Ground-State Geometry and Vibrations of Polyphenylenevinylene Oligomers Journal of Physical Chemistry Letters, Том: 10, Выпуск: 12, Стр.: 3232-3239 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpclett.9b01200

5. Сосорев А. Ю. Метод быстрой оценки энергии деформации решетки в органических полупроводниках Письма в ЖЭТФ, том 110, вып. 3, с. 171 – 177 (год публикации - 2019)
10.1134/S0370274X19150074

6. Сосорев А. Ю. Электронно-колебательное взаимодействие в тиофен-фениленовом со-олигомере и его связь со спектром комбинационного рассеяния света Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия., том 6, стр. 64–70. (год публикации - 2019)

7. Комиссарова Е. А., Доминский Д.И., Жуланов В. Е., Абашев Г.Г.., Сиддик А., Сингх С. П., Сосорев А. Ю., Паращук Д.Ю. Unraveling the unusual effect of fluorination on crystal packing in organic semiconductor Physical Chemistry Chemical Physics, volume 22, pp. 1665-1673 (год публикации - 2019)
10.1039/C9CP05455C

8. Сосорев А. Ю. Simple charge transport model for efficient search of high-mobility organic semiconductor crystals Materials & Design (год публикации - 2020)
10.1016/j.matdes.2020.108730

9. Сосорев А. Ю., Труханов В. А., Масленников Д. Р., Борщев О. В., Поляков Р. А., Скоротецкий М. С., Сурин Н. А., Казанцев М. С., Доминский Д. И., Тафеенко В. А., Пономаренко С. А., Паращук Д. Ю. Fluorinated Thiophene-Phenylene Co-Oligomers for Optoelectronic Devices ACS Applied Materials and Interfaces, volume 12, issue 8, pp. 9507-9519 (год публикации - 2020)
10.1021/acsami.9b20295

10. Сосорев А. Ю., Доминский Д. И., Чернышов И. Ю., Ефремов Р. Г. Tuning of Molecular Electrostatic Potential Enables Efficient Charge Transport in Crystalline Azaacenes: A Computational Study. International Journal of Molecular Sciences, том 21, выпуск 16, стр. 5654 (год публикации - 2020)
10.3390/ijms21165654

11. Нуралиев М. К., Паращук О. Д., Тукачёв Н. В., Репеев Ю. А., Вайнер Ю.Г., Масленников Д.Р., Борщев О.В., Паращук Д.Ю., Сосорев А. Ю. Toward probing of the local electron-phonon interaction in small-molecule organic semiconductors with Raman spectroscopy Journal of Chemical Physics, том 153, выпуск 17, номер статьи 174303 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0023754

12. Труханов В. А., Доминский Д. И., Паращук О. Д., Фельдман Е. В., Сурин Н. М., Свидченко Е. А., Скоротецкий М. С., Борщев О. В., Паращук Д.Ю., Сосорев А. Ю. Impact of N-substitution on structural, electronic, optical, and vibrational properties of a thiophene-phenylene co-oligomer RSC Advances, том 10, выпуск 47, стр. 28128–28138 (год публикации - 2020)
10.1039/d0ra03343j

13. Венер М. В., Паращук О. Д., Харланов О. Г., Масленников Д. Р., Доминский Д. И., Чернышов И. Ю., Паращук Д. Ю., Сосорев А. Ю. Non‐Local Electron‐Phonon Interaction in Naphthalene Diimide Derivatives, its Experimental Probe and Impact on Charge‐Carrier Mobility Advanced Electronic Materials, 7, 2001281 (год публикации - 2021)
10.1002/aelm.202001281

Публикации