《Small Science》综述：有机电子学中的界面工程

有机发光二极管(OLED)和有机太阳能电池是万亿美元半导体产业的新成员。这些器件的结构通常由夹在两个电极之间的几层有机层堆叠而成。电子过程，如在这些界面上的能级排列和电荷传输，对有机器件的整体性能起着关键作用。

因此，界面物理对有机器件的设计和工程具有重要意义。来自多伦多大学、云南大学的研究人员综述了近几年来在有机界面能级排列和电荷传输方面的研究进展。此外，还介绍了有机半导体的基本材料物理，如能级、能量无序、分子取向等。然后讨论了分子异质结能级排列和电荷输运的理论和实验的最新进展。文中还给出了应用界面物理指导理想器件制造的实例研究。相关论文以题目为“Interface Engineering in Organic Electronics: Energy-Level Alignmentand Charge Transport”发表在Small Science期刊上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202000015

分子构成有机半导体的基本构件，用于制造有机发光二极管(OLED)、有机光伏电池(OPV)和有机场效应晶体管(OFET)等器件。OLED和OPV由几个有机层组成，夹在阳极和阴极之间。过去几十年的努力已经成功地将电视和智能手机的OLED显示屏商业化。同时，经过精心选择的有机化合物和OPV结构设计，已经产生了超过16%的功率转换效率，这在商业太阳能市场上是非常有竞争力的。OFET由源/漏电极、栅电极、栅电介质和有机半导体作为沟道材料组成。这些器件的性能依赖于跨几个有机异质界面的电荷载流子传输。这些异质界面的一种类型是电极-有机界面，其中载流子被注入到OLED或OFET中，或者被收集在OPV电池中。另一种类型的异质界面是有机-有机界面，例如OLED中电荷传输层和发射层之间的界面，其中电荷载流子被注入到发射层，在发射层中形成激子并产生光子。移动电荷的输运发生在有机分子的前线分子轨道上，例如空穴的最高占据分子轨道(HOMO)和电子的最低空位分子轨道(LUMO)。因此，有机半导体在界面的能级排列直接决定了有机界面的电荷传输。

在过去的几十年里，电极-有机界面的能级排列得到了广泛的研究。关于电极的费米能级或能量偏移量的HOMO结合能可以用紫外光电子能谱(UPS)测量。其它技术，如开尔文探针和电容-电压测量，也被用来研究有机界面的能级排列。几种理论，如整数电荷转移(ICT)模型，感生态密度(DOS)模型，电化学平衡模型，并发展了描述电极-有机界面能级排列的高能无序模型。这些模型是基于电极-有机界面的拓扑转变是通过相当弱的范德华力实现的假设。

在过去的几十年里，电极-有机和有机-有机界面的电荷输运引起了人们的极大关注，因为它直接影响到有机器件的性能，例如有机发光二极管(OLED)的效率。由于有机分子的能级错位，在这些界面上可以形成能量势垒。这种能量屏障对于设备应用通常是不希望的。例如，电极-有机界面处的大势垒阻碍了电荷注入，提高了OLED的开启电压。然而，如果使用得当，这种势垒可能会进一步提高器件的性能。例如，在发射层旁边插入载流子阻挡层是限制激子从而提高整体OLED器件效率的常用策略。因此，有机界面的电荷传输过程是构建高性能有机电子器件的另一个关键方面。（文：爱新觉罗星）

图1.a)独立的π共轭CuPc的分子结构示意图；b)有机分子的各种能级示意图；c)分子在其中采取结晶或非晶态堆积的薄膜示意图；d)固体薄膜中的各种能级示意图，其中LUMO和HOMO被加宽。

图2.OLED和OPV器件结构原理图及其对应的能级图

图3.有机-有机界面能级排列：a)有机-有机界面能级图；b)有机-有机界面的通用能级对准。

图4.有机电致发光器件的理想电极-有机界面：a)沉积在氯化ITO电极上的CBP的UPS谱显示，由于ITO功函数的增加，注入势垒降低；b)在氯化ITO上制备的OLED的J-V特性显示，由于在电极-有机界面处的注入增强而降低了工作电压；c)在氯化ITO上制备的OLED的EQE；d)沉积在裸ITO上和涂有WO3的ITO上的CBP的UPS光谱；e)J-V特性。F)电流效率和功率效率作为制作在氧化物涂层ITO上的OLED的亮度的函数。