第四章 實驗結果分析與討論
4.1 樣品內部電場分佈
由
2.7 節的討論得知，電場調制光譜實驗的調制電壓是垂直施加
在樣品上，所以會在樣品內部形成電場，而此內部電場分佈狀態將會 影響光譜訊號。欲得知樣品的內部電場分佈狀態可由電流-電壓(I-V) 曲線來判斷。量測
I-V 曲線時，將樣品 ITO 與鋁電極端連接出的電線分別與
Keithley 238 的正、負極相接，如圖 4-1，選擇給予直流電壓量測電流 的掃描(Sweep)模式。＋
－ Keithley 238 Sweep model Give “Vdc” measure “I”
圖4-1 以 Keithley 238 量測 I-V 曲線，鋁電極端與負極相接，ITO 端與正極相接。
圖4-2 為 PTCDI-C5 在空氣中無光照下量測到的 I-V 曲線，當施 加的直流偏壓大於1.5V，電流成線性增加；而偏壓小於 1.5V 則呈現 出飽和電流的狀態，表示PTCDI-C5 在無光照環境下呈現類蕭特基二 極體的特性，其他鏈結不同烷基的樣品也都具有相同趨勢。
-2 -1 0 1 2
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Current (μΑ)
Voltage (V) PTCDI-C5 I-V
圖4-2 PTCDI-C5 在空氣中無光照下量測到的 I-V 曲線，表現出明顯的類蕭特基 二極體分佈趨勢。
量測
I-V 曲線時樣品是暴露於空氣中，在重複測量時發現施加正
向偏壓下的電流會漸漸減小，為了瞭解是否為光照或空氣所造成的影 響，所以將樣品置於不同環境狀態下，比較其I-V 曲線來討論之。以
PTCDI-C5 為例，圖 4-3 為樣品在空氣中接連兩次測量的 I-V 曲線，可明顯看出樣品放置在空氣中經過一段時間後，正偏壓下的電流值有 明顯減弱的現象。
-2 -1 0 1 2 -0.2
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Current ( μΑ )
Voltage (V) PTCDI-C5
First time Second time
圖4-3 PTCDI-C5 在空氣中黑暗下的 I-V 曲線圖，可看出相同環境下，經過一段 時間後，正偏壓下得到的電流值有減弱的現象。
接著，將PTCDI-C5 放置在無光照的真空環境下來測量，施加電 壓範圍由3V~－3V，如圖 4-4，可以發現樣品在真空中的電流強度會 驟減，回到空氣中電流強度又將回復；若再次置於真空環境則電流值 一樣驟減至nA 的數量級，但電流比第一次真空下量測到的強度小了 約10nA。為了確定此強度減小的現象是由接觸空氣所引起而非樣品 本身的問題，因此將樣品放置於無光照的真空環境中一天，由圖4-5 可看到，在相隔一天後，樣品的電流強度並無太大差異。
由此可知，樣品在空氣中的I-V曲線雖然可以明顯的表現出類蕭 特基二極體的特性趨勢，但也會因為與空氣接觸使得電流強度減弱，
有參考文獻推論[5,56,57]，這是因為PTCDI為n型有機半導體，而空氣中
的氧氣扮演p型摻雜物的角色滲透進有機元件中，抵銷掉電子施體 (electron donors)。
-3 -2 -1 0 1 2 3
-100 0 100 200
Current (nA)
Voltage (V) PTCDI-C5
in Vacuum-1 in Air in Vacuum-2
圖4-4 在真空中的電流強度驟減，回到空氣中後仍表現出明顯的特性曲線，接 觸過空氣再回到真空後電流強度將略為減小。
-3 -2 -1 0 1 2 3
-5 0 5 10
Current (nA)
Voltage (V) PTCDI-C5
day1 day2
圖4-5 無光照真空環境下相隔一天的 I-V 曲線，電流強度並無太大差異。
電場調制光譜實驗中，樣品是處於光照環境下，因此接下來將討 論照光是否會改變樣品內部電場分佈。為排除與空氣接觸所造成的影 響，所以將樣品放置在真空環境中來測量
I-V 曲線。
圖4-6 為 PTCDI-C5 在真空中持續照光下的 I-V 曲線，樣品在光 照下產生光電流，與無照光(dark)相比電流強度明顯增加，負偏壓部 分在一照到光時(0 min)電流便達到最大，而正偏壓部分在照到光後的 0~10 分鐘內達到飽和，且正、負方向電流皆與電壓呈現二次曲線關 係，從
2.7 節的討論可以知道，若電流-電壓關係式可表示成：
V2
I∝ …(4.1) 則代表樣品為空間電荷侷限電流(SCLC)分佈。圖 4-7 為回到無光照的 環境下的
I-V 曲線，可以看到樣品回到類蕭特基二極體的分佈趨勢，
在負偏壓部分的電流會立即減弱回到穩定的強度，而正偏壓部分的電 流強度會在10~20 分鐘內漸漸回到穩定。
-3 -2 -1 0 1 2 3 -15
-10 -5 0 5 10 15 20
Current (nA)
Voltage (V) PTCDI-C5
in dark with light
0min 10min
圖4-6 PTCDI-C5 在真空中照光與無照光的 I-V 曲線，在照光情形下樣品呈現 SCLC 特性趨勢，負偏壓部分在一照到光時(0 min)電流便達到最大，而正偏壓部 分在照到光後0~10 分鐘內達到飽和。
-3 -2 -1 0 1 2 3
-20 -10 0 10 20 30
Current (nA)
Voltage (V) PTCDI-C5
light back to dark
0min 10min 20min
圖4-7 PTCDI-C5 回到無光照環境，樣品回到類蕭特基二極體的分佈趨勢，負 偏壓部分的電流強度立即回到穩定，而正偏壓部分電流強度會在10~20 分鐘內漸 漸回到穩定。
上述實驗是直接以光源照射樣品，為了探討不同波長色光是否會 產生不同影響，因此利用分光儀選擇特定波長的色光照射樣品，觀察
I-V 曲線的變化。以 PTCDI-C5 為例，圖 4-8 為不同照射波長的 I-V 曲
線，波長是選擇
4.3 節中電場調制光譜所得到的能階位置，分別是：
5020Å (2.47 eV)、5300Å (2.34 eV)、5610Å (2.21 eV)以及 6100Å (2.03 eV)，可以看到在不同波長的色光下 I-V 曲線並無太大差異，由此可 知不同波長的色光並不會影響樣品的內部電場分佈。
藉由以上討論可以得知，PTCDI樣品在無光照的空氣中可表現出 明顯的類蕭特基二極體分佈特性，但也會因為氧氣的摻雜作用而使得 導電率下降[5,56,57,58,61]；在光照下樣品會產生光電流[59,60,62]，不論照射 的波長為何，樣品皆呈現空間電荷侷限電流的分佈趨勢，這表示在照 光情況下，由於材料的遷移率較低，使得注入載子無法快速的傳遞、
結合，而堆積在金屬與有機層的界面間。
-3 -2 -1 0 1 2 3 -40
-20 0 20 40
Current (nA)
Voltage (V) 5020 Å
5300 Å
-3 -2 -1 0 1 2 3
-40 -20 0 20
40 5610 Å 6100 Å
圖4-8 PTCDI-C5 於特定波長下的 I-V 曲線，可以看出不同波長並無造成影響。