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 新型显示技术已成为新一代信息技术的先导性支柱产业，以有机发光二极管（OLED）为代表的无序有机半导体的应用已然成为显示器行业的一项关键技术。OLED由无序的有机半导体构成，电荷通过这些材料传输，探究载流子传输过程的物理意义是目前OLED研发的焦点，理解电荷传输对于设计和优化设备结构起着关键作用，而逾渗对于理解载流子迁移率的物理机制至关重要。

 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刘飞龙课题组针对器件中电荷传输机制进行了研究，相关研究成果于近日在Physical Review Applied上发表了《无序有机半导体中可变范围的逾渗传输》的学术文章，该研究揭示了无序有机半导体器件的逾渗传输新现象，为新型光电器件物理机制的理解助力。在无序有机半导体中载流子通过非相干跳跃在分子位点间转移，载流子跳跃可以分为最近邻跳跃（NNH）和可变范围跳跃（VRH），这取决于在电荷转移过程中分子对之间的距离。VRH早在很久以前就被认为在描述无序有机固体中的电荷传输中起着重要作用，并且实验已经证明它是电荷传输的一个重要机制。该文章系统探讨了可变范围渗透性在无序有机半导体中的影响。同时材料稀释是制造体异质结光电设备的常用技术，最近被提议作为提高发光器件中电荷传输效率的方法。该团队先前的研究也通过动力学蒙特卡洛（KMC）模拟成功地展示了陷阱稀释效应可以被建模和理解。在这种情况下，由能量无序引起的逾渗与空间无序及分子位点的稀释混合在一起。该研究不仅探究了纯材料系统中的逾渗传输还探究了在稀释材料系统中的逾渗传输，解释了稀释材料中能量诱导与空间位点主导的渗透之间的竞争关系。

 已有研究指出，逾渗现象对于理解电荷载流子迁移率的物理机制至关重要。多种半解析电荷传输模型，例如Movaghar-Schirmacher、Vissenberg-Matters、Baranovskii和Arkhipov模型都包含了Mott的观点，即迁移率是由某些关键的“最难但必须经过”的一步跳跃决定的。在能量无序的环境中，一系列分子的运动可以视为三维网络中的逾渗问题。Cottaar等人基于“fat percolation”提出无序分子半导体中电荷输运的标度理论对于具有非相关高斯能量无序的分子半导体的电荷传输现象具有极佳的描述。然而，Cottaar等人的研究主要关注基于NNH的逾渗，而未涉及基于VRH的逾渗。

 刘飞龙课题组通过结合三维动力学蒙特卡洛（3D-KMC）模拟和扩展逾渗（“fat percolation”）理论系统研究了可变范围跳跃（VRH）对无序有机半导体中渗透电荷传输的影响，定量展示了VRH在纯和稀释无序有机半导体中的电荷传输机制。研究纯材料和稀释材料中的逾渗现象，有助于理解高效电荷传输层和体异质结在实际光电设备中的物理机制。该研究发现在实际的分子波函数衰减长度下，VRH在电荷传输中起着重要作用。在低温或活性材料比例较低的情况下，VRH的作用更为显著。此外指数形深陷阱状态可以进一步增强VRH，尤其是在低温条件下。随着材料的稀释，原本由能量无序主导的渗透逐渐转变为由空间位点无序主导的渗透。根据我们目前的研究，为了实现稀释诱导电流增强，建议选择具有较大波函数衰减长度的材料作为传输材料，这样可以显著提高VRH，确保即使在低稀释比例下也能保持活性材料的导电性。

相关研究成果以题为“Variable-range percolation in disordered organic semiconductors”发表在Physical Review Applied上。华南师范大学江周燕（2023级硕士生）、杨菲玲（2021级硕士生）为本论文的共同第一作者，刘飞龙副研究员为通讯作者。

 本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3611301)、广东省人才项目、长江学者和创新团队发展计划（项目编号：IRT 17R40)、广东省光学信息材料与技术重点实验室（项目编号：2023B1212060065)、国家绿色光电国际研究中心、教育部光信息技术国际实验室以及111项目的支持。

 论文DOI：10.1103/PhysRevApplied.23.064001

（来源：华南师范大学华南先进光电子研究院，转载请注明出处）