研究背景 近日，华南师范大学华南先进光电子研究院彩色动态电子纸研究所周国富教授团队刘飞龙副研究员课题组在《Journal of Applied Physics》发表题为“Three-dimensional kinetic Monte Carlo modeling of disordered organic semiconductor devices with molecular doping”的研究论文。该工作面向含分子掺杂注入层的完整有机发光二极管（OLED）器件，系统比较三维动力学蒙特卡洛（3D-KMC）模拟与传统一维漂移-扩散（1D-DD）模型，揭示了离散库仑作用、载流子局域化和能级无序对器件电流、耗尽层及瞬态响应的关键影响，并用统一的微观参数较好复现了实验电流密度-电压特性。 分子掺杂是提升 OLED 性能的重要手段。通过在电极附近引入掺杂注入层，可以促进载流子跨越较大的电极/有机界面能垒，降低器件开启电压并改善电荷注入。然而，无序有机半导体中的载流子并非在连续能带中自由运动，而是在能量无序的局域分子位点之间跳跃；电离掺杂分子还会与载流子发生库仑相互作用，形成整数电荷转移复合物（ICTC）。这些微观效应能否被常用的 1D-DD 连续模型准确描述，是实现 OLED 器件预测性模拟需要回答的关键问题。 研究内容 传统 1D-DD 模型通常把电离掺杂剂简化为空间电荷密度写入泊松方程，具有计算高效、便于开展完整器件模拟等优势，但难以显式描述能级无序、离散跳跃以及载流子-掺杂剂之间的库仑束缚。为此，研究团队采用Bumblebee软件中的3D-KMC 方法，从分子尺度追踪载流子的注入、跳跃、输运与复合，并在参数一致的条件下与 1D-DD 模型进行对照。研究对象由单掺杂层器件进一步扩展到双极性 P-N 结和含掺杂层的多层 OLED，从而把此前针对局部金属/有机界面的认识推进到完整工作器件。 在未掺杂参照器件中，经统一标定后的 1D-DD 模型与 3D-KMC 模拟能够较好吻合；一旦引入分子掺杂，两种方法便在特定条件下出现明显差异。尤其在低掺杂浓度、较高注入势垒和较强库仑作用条件下，1D-DD 会系统性高估器件电流。3D-KMC 结果表明，注入载流子会受到电离掺杂剂的库仑束缚并形成 ICTC，使掺杂层中的有效迁移率下降，而这一离散俘获机制在连续模型中被平均化处理。随着掺杂浓度升高，静电屏蔽增强、移动载流子增多，ICTC 引起的迁移率抑制减弱，分子掺杂可逐步将肖特基型注入接触转变为近欧姆接触。 图1 不同注入势垒、温度和掺杂浓度下的模拟 J-V 特性。实线为 1D-DD 结果，点线为 3D-KMC 结果 载流子空间分布进一步揭示了两类模型差异的来源。在较低注入势垒下，两种方法给出的稳态载流子浓度分布较为接近，电流差异主要来自有效迁移率；在 0.5 eV 的高注入势垒下，1D-DD […]
