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Charge Carrier Transport in Amorphous Glassy Organic Semiconductors

Zhaojing Gao

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Organic semiconducting polymers and small molecules have been widely investigated, due to their solution processability (printability), compatibility with flexible substrates and optoelectronic properties tunable with chemical synthesis. However, they have high concentrations of defects that bring about structural and energetic disorder, difficult to eliminate, due to their weak van der Waals intermolecular interactions. Strong charge carrier-phonon coupling and disorder in organic semiconductors lead to charge carrier localization and to the formation of polarons. These lead to the difficulty in understanding detailed mechanisms of charge carrier transport in organic materials. In this thesis, the conduction mechanisms in organic semiconductors are studied through the Meyer Neldel (MN) behavior. The effect of temperature, T, electrical field, molecular weight and alternating current (AC) frequency on transport are studied. The charge carrier transport mechanisms in amorphous glassy Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) are determined unambiguously, both below and above the glass transition temperature,

Résumé

Les polymères et petites molécules semi-conducteurs organiques ont été largement étudiés, en raison de leur possible traitement en solution (imprimabilité), de leur compatibilité avec des substrats flexibles et de leurs propriétés optoélectroniques ajustables par la synthèse chimique. Cependant, ils présentent de fortes concentrations de défauts qui entraînent des désordres structurels et énergétiques, difficiles à éliminer, résultats de faibles interactions intermoléculaires aussi appelées forces de van der Waals. Le fort couplage porteur de charge-phonon, c'est-à-dire un électron ou trou couplé à un phonon, ainsi que le désordre dans les semi-conducteurs organiques conduisent à la localisation des porteurs de charge et à la formation de polarons. Celles-ci conduisent ainsi à la difficulté de comprendre les mécanismes détaillés du transport des porteurs de charge dans les matériaux organiques. Dans cette thèse, les mécanismes de conduction dans les semi-conducteurs organiques sont étudiés à travers le comportement de Meyer Neldel (MN). Les effets de la température T, du champ électrique, du poids moléculaire et de la fréquence du courant alternatif (CA) sur le transport sont étudiés. Les mécanismes de transport des porteurs de charge dans le Poly(3-hexylthiophène-2,5-diyl) (P3HT) regio-régulier, avec trois poids moléculaires différents, glacé amorphe sont déterminés sans ambiguïté, à la fois en-dessous et au-dessus de la température Tα, dite la température de transition à l'état glacé amorphe. Ceci est le résultat de mesures de la température, du champ électrique et de la dépendance en fréquence alternative de la mobilité et de la densité des porteurs de charge dans des transistors à effet de champ sur le P3HT. Les relaxations moléculaires jouent un rôle important dans la conductivité en courant continu. À des températures supérieures à Tα, sous une tension drain-source constante, les porteurs polaroniques sous forme de trous sont transportés avec chaines de polymères mobiles et peuvent sauter d'une chaine à l'autre. En dessous de Tα, ils sautent entre des segments de chaînes mobiles de molécules voisines essentiellement immobiles. En appliquant des tensions drain-source alternatives à des fréquences supérieures ou égales à 100 Hz, les porteurs de charge sont transportés le long des chaînes de polymères. Abstract

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie des matériaux
Academic/Research Directors: Clara Santato and Arthur Yelon
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10510/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 06 Feb 2023 15:11
Last Modified: 07 Feb 2024 05:25
Cite in APA 7: Gao, Z. (2022). Charge Carrier Transport in Amorphous Glassy Organic Semiconductors [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10510/

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