Μελέτη οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πεντακενίου

Abstract

Photocurrent Response, Optical Absorption, and X-Ray Diffraction (XRD)measurements in pentacene films grown on glass substrates are performed inorder to obtain an insight into the mobile photo carriers generation mechanism.For film thickness of the order of50nmand lower, the photocurrent responsespectra are found to follow the optical absorption spectra demonstrating the socalledsymbatic response. Upon increasing the film thickness, the photoresponsedemonstrates a transition to the so-called antibatic response, which ischaracterized by a maximum and minimum photocurrent for photon energies ofminimum and maximum optical absorption, respectively. By taking into accountthe XRD patterns, the experimental photoresponse spectra can be reproduced bymodel simulations assuming efficient exciton dissociation at a narrow layer ofthe order of 20nm near the pentacene-substrate interface. The simulated spectraare found sensitive to the film thickness, the absolute optical absorptioncoefficient and the diffusion exciton length. By comparing the experimental withthe simulated spectra, it is deduced that the excitons, which are created byoptical excitation in the spectral region of 1.7 2.2 eV , diffuse with a diffusionlength of the order of 10 80 nm to the pentacene-substrate interface, whereefficiently dissociate into mobile charge carriers.The Modulated PhotoCurrent (MPC) technique is employed to study thecharge carriers’ trapping states of pentacene films. The characteristics of theexperimental MPC spectra were found to be compatible with trappingdetrappingprocess of holes in gap states in which their occupancy can bemodified by the bias illumination. A demarcation energy level separating empty from partially occupied traps was deduced from the MPC spectra, which can beused to monitor bias-light induced changes in the quasi Fermi level. Anexponential trap distribution from structural disorder and a deep metastablegaussian trap distribution from adsorbed environmental impurities wereextracted by means of the MPC spectroscopy. An attempt-to-escape frequency ofthe order of 10 1 10 s was deduced for the gap sates. The derived trap distributionsagree with those found before by means of other techniques.

Μετρήσεις απόκρισης φωτορεύματος, οπτικής απορρόφησης και περίθλασης ακτίνων-Χ σε λεπτά υμένια πολυκρυσταλλικού πεντακενίου εναποτεθειμένα πάνω σε γυάλινο υπόστρωμα χρησιμοποιούνται με σκοπό να αποσαφηνίσουμε τον μηχανισμό παραγωγής ευκίνητων φωτοφορέων. Για υμένια με πάχος 50nmή και λιγότερο, τα φάσματα απόκρισης φωτορεύματος δείχνουν να ακολουθούν τα αντίστοιχα φάσματα οπτικής απορρόφησης,παρουσιάζοντας αυτό που ονομάζουμε συμβατική απόκριση. Αυξάνοντας το πάχος των υμενίων παρατηρείται μια αλλαγή στην συμπεριφορά των φασμάτων στην αποκαλούμενη αντιβατική απόκριση. Αυτού του είδους η απόκριση χαρακτηρίζεται από μέγιστα και ελάχιστα στα φάσματα απόκρισης του φωτορεύματος για τιμές ενέργειας φωτονίων στις οποίες τα φάσματα οπτικής απορρόφησης παρουσιάζουν ελάχιστα και μέγιστα, αντίστοιχα.Λαμβάνοντας υπόψη και τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-Χ, τα πειραματικά φάσματα απόκρισης φωτορεύματος μπορούν να αναπαραχθούν μέσω προτύπων προσομοίωσης, υποθέτοντας αποτελεσματική διάσπαση εξιτονίων σε ένα στενό στρώμα πάχους της τάξης των20nm , το οποίο βρίσκεται κοντά στην διεπιφάνεια πεντακενίου-υποστρώματος. Αποδείχθηκε πως τα φάσματα των προτύπων προσομοίωσης εξαρτώνται ισχυρά από το πάχος των υμενίων, τον απόλυτο συντελεστή απορρόφησης καθώς και από το μήκος διάχυσης των εξιτονίων. Συγκρίνοντας τα πειραματικά φάσματα με τα φάσματατων προτύπων προσομοίωσης, βγάλαμε το συμπέρασμα ότι τα εξιτόνια, τα οποία παράγονται από οπτική διέγερση στην φασματική περιοχή 1.7 2.2 eV , διαχέονται με μήκος διάχυσης της τάξης των 10 80 nm από την διεπιφάνεια πεντακενίου-υποστρώματος. Εκεί διασπώνται αποτελεσματικά σε ευκίνητους φωτοφορείς. Η τεχνική του διαμορφωμένου φωτορεύματος εφαρμόζεται με σκοπό να μελετήσουμε τις καταστάσεις παγίδευσης των φωτοφορέων σε υμένια πεντακενίου. Τα χαρακτηριστικά των πειραματικών φασμάτων του διαμορφωμένου φωτορεύματος βρέθηκαν να συμφωνούν με αυτά που προβλέπει η θεωρία της παγίδευσης-απελευθέρωσης οπών από καταστάσεις όπου η καταληψιμότητα μπορεί να ρυθμιστεί από έναν σταθερό φωτισμό. Στα πειραματικά αυτά φάσματα εντοπίσθηκε μία διαχωριστική ενεργειακή στάθμη.Η στάθμη αυτή διαχωρίζει τις κενές από τις μερικώς κατειλημμένες παγίδες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση της μετατόπισης της ψευδοστάθμης Fermi, που προκαλείται λόγω της αύξησης της έντασης του σταθερού φωτισμού.Μέσω της φασματοσκοπίας του διαμορφωμένου φωτορεύματος αποκαλύφθηκε η παρουσία μιας εκθετικής κατανομής παγίδων και μιας βαθιάς μετασταθούς Γκαουσιανής κατανομής παγίδων, οι οποίες προκύπτουν από δομικές διαταραχές και από την απορρόφηση περιβαλλοντικών ακαθαρσιών(υγρασία κ.α.), αντίστοιχα. Για τις καταστάσεις προέκυψε μία κοινή συχνότητα απόπειρας θερμικού άλματος διαφυγής, της τάξης του 10 1 10 s . Οι προκύπτουσες κατανομές παγίδων συμφωνούν με αυτές που έχουν βρεθεί προγενέστερα μέσω άλλων τεχνικών, γεγονός που υποδηλώνει ότι η τεχνική της φασματοσκοπίας του διαμορφωμένου φωτορεύματος μπορεί να εφαρμοστεί σαν ένα χρήσιμο εργαλείο χαρακτηρισμού υμενίων πεντακενίου.