第四章 實驗數據及討論
4.2 水平及垂直方向電洞遷移率之量測與分析
一般常用來測量電子遷移率的方法有利用time-of-flight(TOF)(20)，或者是利用 電流與電壓具有SCLC的關係，而計算出遷移率。TOF這項技術是利用脈衝光在一 側的電極處產生出載子，經由外加電場使電洞飄移至另一側的電極，飄移的時間 若為τ，電極之間的距離為L，則電荷的遷移率為
E L
µ =τ [4.1]
由於脈衝光需要準確的聚焦在一側的電極，因此 time-of-flight 只適用於垂直結構
中旋轉塗佈時的離心力是唯一會破壞對稱性的步驟，在介電常數上就反映出了不 coefficient )，μ*為遷移率前係數(mobility prefactor)，Δ為活化能(activation energy)，
KB為波斯曼常數。 我們再度藉由J-E關係(圖 4.5、圖 4.6)，利用SCLC計算出電洞
0.0 2.0x107 4.0x107 6.0x107 8.0x107 1.0x108 1.2x108 10-12
10-11 10-10 10-9
µ(m2 /V.s)
E(V/m)
250K 200K 150K 100K 50K
圖 4.6 垂直結構 μ-E 圖
1.5x107 2.0x107 2.5x107 3.0x107
101 102 103 104
J(A/m2 )
E(V/m)
140K 180K 220K 260K 290K
圖 4.7 水平結構 J-E 圖
1.6x107 2.0x107 2.4x107 2.8x107 3.2x107 10-9
10-8 10-7 10-6
µ(m2 /V.s)
E(V/m)
140K 180K 220K 260K 290K
圖 4.8 水平結構 μ-E 圖
由於在低場之下元件的I-V特性仍是由界面特性所主導(11)，所以利用SCLC計算出 的電洞遷移率在低場並不準確，因而造成圖 4.8 中電洞遷移率隨著電場先下降後 上升的情形。為了更清楚看出兩者間的差異我們使用Pool-Frenkel form的式子去 分析，將式 4.3 二邊同時取對數得到
E +r
=ln 0 )
ln(µ µ [4.5]
則取ln μ 對 E1/2作圖(圖 4.9，4.10)，斜率就是γ，截距則為lnµ0，就可以得出不 同溫度下的γ(圖 4.11)及μ0(圖 4.12)。
3x103 4x103 5x103 6x103 7x103 8x103 9x103 1x104 1x104 1x104
4.0x103 4.5x103 5.0x103 5.5x103 6.0x103 -21
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
再將式 4.4 取對數可得到
所以利用圖 4.11，畫出斜率可計算出hopping barrier(圖 4.13)，由圖中我們可看出 水平及垂直方向上的斜率幾乎相同，所計算出的垂直方向barrier約為Δv0.20eV，
水平方向Δh約為 0.23eV，和文獻中所測量的LED結構相近(18)，這可以說明水平結 構的電洞遷移率之所以較大，並不是因為水平方向的傳輸過程中，所需要克服的 能障較小。在Poole-Frenkel detrapping model中，電場係數γ是由於外加電場的影 響，而等效降低能障高度，使載子能夠跳出位井，圖 4.12 說明電場係數γ在水
每一次hopping所能跑的距離，在水平方向上較大的μ*使得每一次跳躍的傳輸可 以超過共軛長度，我們利用微觀機制來說明，當載子在垂直方向傳輸時，每經過 一個單元，就必須要跨越能障才能繼續傳輸，若是沿著水平方向傳輸，由於共軛 高分子是沿著水平方向排列，所以載子可以跑一段很長的距離，都不需要跨越能 障，直到遇到缺陷或是共軛鏈的邊界才需要跨越能障。
4.3 集聚體與載子遷移率
高分子排列的方向對於載子遷移率有相當大的影響，那麼高分子薄膜的表面 型態是否也會影響載子遷移率呢?相鄰的共軛高分子有些鏈段會糾結在一起形成 集聚體，這些集聚體對於高分子薄膜型態(morphology)上的影響是確認的(25)，因而 我們認為集聚體也是影響遷移率的一個重要因素。一般MEH-PPV的螢光光譜其峰 值位在 580nm，若是具有集聚體的MEH-PPV則會在 630nm多出一個峰值，形成一 個肩帶結構(shoulder) 在此我們利用此特性，做為偵測集聚體的工具。在實驗中 我們發現時間是影響集聚體的一個重要因素，圖 4.14 為MEH-PPV薄膜的光激螢 光光譜圖(PL) ，其中A是液泡好後靜置於室溫中 3 天，再旋轉塗佈成薄膜的螢光 光譜，B則是於室溫中靜置 7 天後的螢光光譜，其中B很明顯的具有較多的集聚 體，圖 4.15 則是利用水平電極量測並以SCLC計算A及B的電洞遷移率，我們發現 具有較多集聚體的樣品遷移率可以大上一個數量級，這說明了集聚體確實會影響 載子遷移率。
480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Intensity(a.u.)
wavelength(nm)
A B
圖 4.14 水平結構之光譜圖
0.0 2.0x107 4.0x107 6.0x107 8.0x107 1.0x108 10-8
10-7 10-6
Mobility (m2 /V.s)
E(V/m)
A B
圖 4.15 不同集聚體樣品之 μ-E 圖
然而Blom等人則認為載子密度(charge density)才是決定遷移率的關鍵(216，所以在此 而FET的載子密度為σ在增強型模式(accumulation mode)操作下有 g
ox
= ，accumulation layer
s 飽和區(saturation region)的汲極電流(drain current)I
3
其中W為通道寬度(channel width) ，L是通道長度(channel length) ，Cox是柵極電容 (capacitance of gate dielectric) ，而此時通道中的平均電場則為Vds/L，我們可以利用 Id與Vg的關係得出和電場相關的水平方向電洞遷移率μh(E) ，圖 4.16、圖 4.17 為 FET的特性圖，其中FET A的 L = 4μm，W = 400μm，FET B 的L= 5 μm，W = 400μm，
-40 -30 -20 -10 0
0.0 2.0x107 4.0x107 6.0x107 8.0x107 1.0x108 1.2x108 horizontal A horizontal B vertical
圖 4.18 FET 與水平結構的 μ-E 圖
480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 0.0
由圖 4.18 我們可以發現 FET 的遷移率確實比垂直結構大上幾個數量級，但是比 水平結構略小，而此時 FET 的載子濃度卻比水平結構大上５個數量級，所以我 們可以確信載子濃度不是影響遷移率的關鍵。圖 4.19 中的光譜圖即對應到圖 4.18 中的 FET A 及 FET B，其中 FET B 具有較大的遷移率，其所對應的光譜顯示出 有較多的集聚體，這又再次說明集聚體是影響遷移率的關鍵。
4.4 轉速對集聚體及遷移率的影響
在文獻中也指出旋轉塗佈是一個影響高分子薄膜型貌(morphology)的重要因 素(27)，因此我們也就轉速對遷移率的影響做探討，其中drop cast指的是在零轉速 下的樣品，由於其膜厚造成難以定義出電流的截面，因而採用FET做量測，我們 發現由於較高的轉速會破壞集聚體(圖 4.21)，因而造成遷移率的下降(圖 4.20)，而 drop cast雖然有較多的集聚體，但是由於缺乏離心力使其排列，所以本質上仍是 均向性的薄膜，其遷移率和垂直結構相當，在轉速為 2000RPM時，具有最高的遷 移率。
0 1x107 2x107 3x107 4x107 10-10
10-9 10-8 10-7 10-6
Mobility (m^2/V.s)
E(V/m)
2000 RPM 6000 RPM Drop cast
圖 4.20 不同轉速樣品之 μ-E 圖
500 550 600 650 700
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Intensity(a.u.)
wavelength(nm)
2000 RPM 6000 RPM Drop cast
圖 4.21 不同轉速樣品之光譜圖
第五章 總結
(1) 經由變溫量測電洞遷移率，再以Poole-Frenkle分析水平方向和垂直方向的傳 輸特性，我們發現活化能Δ極為接近，約為 0.2~0.23eV，電場係數γ也不是 主要差異(10−3 ~2×10−3 m /V )，μ*才是水平方向遷移率較垂直方向大幾個 數量級的關鍵。
(2) 藉由 FET 元件及水平電極元件的比較，我們發現載子密度也不是影響遷移率 的主要關鍵。
(3) 在具有較多的高分子集聚體的樣品，其電洞遷移率可以增加一個數量級。
(4) 旋轉塗佈的轉速會影響集聚體排列的方向，進而影響遷移率，在較高轉速時 會破壞集聚體，使遷移率下降，過低的轉速則無法使集聚體有共同的排列方 向，因而遷移率也會下降，若是不旋轉的薄膜，其遷移率接近垂直方向。
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