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。
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 预测电极附近形成较宽的耗尽区，而 3D-KMC 在相同条件下给出的耗尽宽度显著更小。其原因在于 3D-KMC 能显式捕捉载流子-掺杂剂库仑束缚和局域电荷补偿，使载流子更靠近界面分布；连续模型则会平滑这些微观静电效应，从而高估耗尽层宽度。
研究还发现，器件的宏观电流与微观载流子分布具有不同的弛豫时间尺度。在施加电压阶跃后，器件电流可在约 10⁻⁶ 秒内达到准稳态，而载流子浓度分布仍需约 10⁻⁵ 秒才能完成更慢的再分布。这说明，即使外部测得的电流已经稳定，器件内部的微观电荷状态仍可能继续演化。该“快电流响应、慢载流子弛豫”的时间尺度分离，在单掺杂层器件和有机 P-N 结中均得到观察，为理解分子掺杂无序有机半导体中的超慢载流子动力学提供了完整器件尺度的证据。
为检验模型的实际预测能力，研究团队进一步模拟了含 F4-TCNQ:TDATA 掺杂层的多层 OLED，并与文献实验数据直接比较。所有器件采用同一套内部一致的微观参数，未针对迁移率进行额外调参。模拟准确再现了分子掺杂提升电流的总体趋势，并在高电流导电区与实验结果达到良好吻合；当掺杂浓度提高到 2% 时，器件由注入受限状态逐渐接近欧姆接触行为。该结果表明，3D-KMC 不仅能够解释传统连续模型遗漏的微观机制，也具备服务于掺杂 OLED 器件建模与优化的潜力。
总结
综上，该工作从完整器件层面阐明了传统 1D-DD 模型在分子掺杂无序有机半导体中的适用边界：若仅将掺杂剂视为固定电荷，可能同时高估器件电流和耗尽层宽度；显式考虑能级无序、离散跳跃与载流子-掺杂剂库仑作用的 3D-KMC 方法，则能够更准确地描述掺杂层中的迁移率抑制、界面电荷分布和非平衡动力学。相关认识为建立更可靠的 OLED 多尺度模拟方法以及优化掺杂注入层设计提供了理论依据。
相关成果以“Three-dimensional kinetic Monte Carlo modeling of disordered organic semiconductor devices with molecular doping”为题，发表于《Journal of Applied Physics》140 卷第 5 期，文章号 055501（2026），DOI：10.1063/5.0333394。华南师范大学闫瑜琦（2023级硕士）、庄力涵（2025级博士）为共同第一作者，刘飞龙副研究员为通讯作者。华南师范大学黄丽雯、于立帅、朱浩荣，中国科学院微电子研究所王嘉玮副研究员，华南师范大学周国富教授为共同作者。该工作得到国家重点研发计划（2023YFB3611301）、广东省“璀璨行动”计划（CC/XM-202402JS0101）、广东省人才项目（2021QN02X369）、教育部长江学者和创新团队发展计划（IRT 17R40）、广东省光信息材料与技术重点实验室（2023B1212060065）、国家绿色光电子国际联合研究中心、教育部光信息国际合作联合实验室以及“111 计划”（D16009）的支持。
参考文献
- Three-dimensional kinetic Monte Carlo modeling of disordered organic semiconductor devices with molecular doping, J. Appl. Phys., 2026, 140, 055501, DOI: 10.1063/5.0333394