有机半导体应用 | ER-EIS 计算态密度(DoS)
ER-EIS 用于有机半导体态密度(DoS)研究
近年来，有机半导体材料，如有机场效应晶体管(OFETs), 有机光伏 (OPVs)，有机发光二极管 (OLEDs)和有机传感器等材料，大放异彩，显示出广阔的应用前景。
态密度(density of states, DoS)是表征半导体材料特性，极为重要的参数之一。对于DoS简单来说，就是电子在某一个能量范围内的分布情况。尽管态密度(DoS) 是表征有机半导体材料中电荷传输特性至关重要的参数，但通常的测试方法并不能直接得出DoS。Prof. F. Schauer(Tomas Bata University，Czech Republic) 和Prof. A. Köhler (University of Bayreuth，Germany) 等团队合作，基于强大的Solartron 1260A 频率响应分析仪。
将传统的Electochemical Impedance Spectroscopy(EIS)拓展为Energy Resolved–Electrochemical Impedance Spectroscopy (ER-EIS)方法用于态密度分布，最高分子占据轨道(highest occupied molecular orbital(HOMO)) 和最低分子未占轨道 (lowest unoccupied molecular orbital (LUMO))的测定。Solartron 1260A，极宽的频率范围(10uHz-32MHz)，极高的准确度和可靠性，在有机半导体中的应用中显示出强大优势。
ER-EIS
在ER-EIS测试中，使用了常规的三电极体系，电解池体积约为200uL。将被测半导体材料旋涂于(ITO)基体上作为工作电极(WE), Ag/AgCl 作为参比电极(RE)和 Pt 丝为对电极(CE)。ER-EIS 可用于研究有机半导体材料电解质和材料界面，由于有机材料对空气中的水分和氧气非常敏感，因此需要将被测装置放入惰性气氛中，以防止有机物发生分解反应。
ER-EIS具体测试步骤如下，膜的电位由恒电位仪进行控制，电解质为0.1M tetrabutylammonium hexafluoro phosphate(TBAPF6) 乙腈做溶剂，使得电压(能量)窗口为63V (eV)相对于 Ag/AgCl 参比电极 (真空)，此条件可覆盖绝大多数有机材料的带隙宽度。阻抗测量由(Solartron Analytical, 1260A)执行，频率范围0.1–10MHz，交流振幅为100mV, DC 电压扫描的速率为10mV/s。所有电化学测试的共性，是电解液会发生不可逆反应，比如反应物在电极表面的积累，溶液中杂质在电极表面的吸附，表面氧化物的生成等。为了避免出现这些问题，ER-EIS分两段执行电压扫描，即每一段偏置电压均由0V开始，一段由0V扫描到正电位，另外一段由0V扫描到负电位，因此最终的ER-EIS曲线将由两段曲线构成，如下图所示。
ER-EIS spectra of P3HT films: (a) An example of rough unprocessed ER-EIS data plotted as 0.1/Rct and Csc vs applied voltage U with respect to the reference electrode Ag and AgCl, (b) the product of Rct and Csc for the calculation of the coefficient kct eff = 3.12 × 10−24 cm4 s−1[Eq. (A8)], and (c) the final surface DOS function g(E) [Eq. (A6)].
ER-EIS技术有三个独特的优势:
(i) 电荷转移电流密度的扩散属性与传输的数量无关，迁移率与外加电场相关
(ii) 可使用外加电压来控制半导体费米能级偏移，且电解液化学势的电位漂移可以忽略不计
(iii) 对于线性响应的电化学体系，可以使用此激励方法测试
更多详情请参考:
1.Adv. Funct. Mater. 2020, 2007738,
DOI: 10.1002/adfm.202007738
2.J. Appl. Phys. 128, 150902 (2020)
Doi: 10.1063/5.0022289
3. Appl. Phys. Lett.105, 142109 (2014);
Doi: 10.1063/1.4898068
4.J. Appl. Phys. 123, 161590 (2018);
Doi.org/10.1063/1.5008830
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