有機分子材 料的高阻值特性，使其電流傳導機制與半絕緣性之固態材料相 似，但是畢竟分子與晶體的結構屬性上是完全不相同的，其理論是否能通用並不 是相當的明確肯定，基於這點，若要用這半絕緣性材料電流傳輸理論來分析有機 材料，首先我們先得確定有機材料的電傳輸的特性是否與上一節所介紹的半絕緣 性的材料電流傳輸的特性是一致的，所以我們先做個試驗性的實驗。如圖 3-4 與 3-5 為 兩 片 我 們 主 要 探 討 的 材 料 所 製 成 的 元 件 量 測 的 圖 ， 圖 3-4 為 ITO/NPB(20nm)/Alq3(60nm)/LiF/Al在室溫下所量到的J-V圖，而圖 3-5 則為 ITO/NPB(20nm)/BAlq(60nm)/LiF/A在室溫下所量到的J-V圖，在這兩個不同材料 的元件中我們在陰極金屬與有機材料之間我們加入了一層 0.1nm厚的LiF，是為 了降低電子從金屬注入有機層時的位障，減少位障所造成的影響[5]。 從圖 3-4 及 3-5 中可以明顯的看到，在低偏壓的時候這兩個不同材料的特性都是呈現
ohmic傳輸的特性(logJ-logV的斜率為 1)，隨著偏壓的增加J-V曲線的斜率變成 相當大也是所謂的TCL中power-law的機制。圖 3-4 及 3-5 的趨勢皆與圖 3-3 理論 模擬的趨勢是一致的，由以上的結果接下來就可以使用這套理論來分析材料。
3-3-1 初量測問題
在一開始對元件量測時，我們發現一些在量測上需注意的技巧，如圖 3-6 及 3-7 所示。圖 3-6 與 3-7 是對樣品做電流-電壓量測的數據圖，圖 3-6 是從第 1 次到第 25 次量測的數據圖，而圖 3-7 為第 21 到第 25 次量測的數據圖。由圖 3-6 可以看到一開始的 J-V 曲線並不穩定，而隨著量測的次數增加有趨於穩定的 現象，在圖 3-7 可以看出在最後五次的量測，其 J-V 的曲線已經穩定且已具有再 現性。這個現象我們猜測是有機分子與金屬在結構上的屬性並不匹配，故電極金 屬與有機材料介面之間在元件剛製作完成時，與金屬接觸的有機分子的結構形狀 並不是處於在能量最穩定的狀況下，經過多次電壓驅動後有機分子得到了適當的 能量將分子的結構狀態調整到穩定的狀態，所以元件的特性趨於穩定且有具有再 現性。有以上的經驗，故我們在對元件取數據時都經過多次的量測直到其元件特 性趨於穩定且出現再現性，以確保實驗數據的正確性。
3-3-2 Alq3與BAlq缺陷能階與缺陷濃度的探討
接下來開始使利用前述的理論來應用在我們的元件分析上，首先成長一系列 的樣品：ITO/NPB(20nm)/Alq3(x nm)/LiF(0.1nm)/Al，其中的ｘ的厚度由 10 nm 以間隔 10 nm到 60 nm，且這些樣品都是在同一時間成長。在上述的半絕緣性傳 輸理論中我們有提到，在這個機制中我們只考慮單一載子注入，我們設計這個結 構主要的用意是為了讓整個電流傳導的過程是由Alq3中傳輸的電子所主導來滿
足單一載子注入。NPB層扮演的角色是電洞傳輸層，其對Alq3的電子遷移率大了 陷能階，Tt為特徵溫度。由經驗知道在power-law電流傳輸過程中log(J) vs log(V) 的斜率都非常的大所以可以將J與V(m+1)/d(2m+1)成正比近似成與V/d2成正比，若是所 量測到turn on後電流機制為TCL則必當與上述符合。為了確定測量到的數據為 TCL電流機制，我們對不同厚度的樣品在室溫下所得到的J-V數據在固定一個電流 值 2*10-4安培下找出各自對應的電壓值，然後將電壓與材料厚度的平方作圖如 3-8 所示，由圖中可以明顯的看出電壓與厚度的平方是呈線性的關係，由圖 3-8 可以證明我們設計的結構所量測得到的J-V數據在turn on之後是屬於TCL model 並且是由Alq3層所主導。
由實驗證明在ITO/NPB(20nm)/Alq3(x nm)/LiF(0.1nm)/Al這個結構元件上可 以量測到Alq3的TCL的電流特性，我們將針對這部分對Alq3及BAlq作量測的分析。
現在取Alq3與BAlq厚度各為 60 nm的樣品來作變溫J-V並從TCL model式 3.2 中由 實驗得到重要的物理參數，我們將 3.2 式再寫一次
從變溫電流-電壓的量測我們可以對log(J) vs log(V)作圖得到不同溫度下的斜 率L，而m=L－1，然後將實驗中所得到的ｍ值對 1000/T作圖 3-9 既可得到特徵溫 度Tt並進而得到缺陷深度Et。由圖 3-9 中我們可以得到Alq3的缺陷深度為 0.145 eV，其值與文獻[6] (文獻上的為 0.15 eV)中所求得的值相當接近，而BAlq的缺
陷深度為 0.201 eV．比Alq3的缺陷能階深了 0.05 eV左右。
若是TCL model機制則在不同的溫度下的J-V曲線會交於一點而交點就是Vc。我們 將Alq3與BAlq作ln(J) vs 1000/T的圖於 3-12 與 3-13，發現 3-12 與 3-13 都隨著 偏壓的增加而斜率漸漸變大，趨勢皆與圖 3-10 相同，但是由於元件無法承受太 大的電壓，所以不能從圖 3-12 與 3-13 中得到使斜率為 0 的Vc電壓值，於是我們 利用技巧來估計Vc的值。見圖 3-14 與 3-15，其各為Alq3與BAlq的log(J) vs log(V) 圖，由圖 3-11 中知道Vc為不同溫度下各個J-V曲線的交點，於是將圖 3-14 與 3-15 在各個溫度下的J-V曲線擬合使其延伸，估計出交點的電壓值，在Alq3中我們估 計出Vc大約為 17.6 V(±0.5V)其對應的缺陷濃度約為 1.89*1018cm-3，在BAlq方面 其估計出來的Vc為 43 V(±1V)而對應出的缺陷濃度約為 4*1018cm-3。由上述的結果 可以知道Balq不論在缺陷深度與缺陷的濃度皆比Alq3來的深且大，這個兩個參數 對材料的電流傳輸的影響是有很大的關係，如圖 3-16 中可以看到，在同一偏壓 下Alq3的電流值明顯的比BAlq大上許多，所以在OLED元件中BAlq並不適合當作電 子傳輸層來使用。由於BAlq有高的缺陷濃度以及深的缺陷能階，非常適合作為一 個載子confine的材料以及blacking layer使用，並且加上BAlq的寬能隙故猜測 是其內部能量轉移效率很高的原因，所以BAlq非常適合作為主發體來使用。
3-3-3 Alq3與BAlq電子遷移率的探討
從上一節中成功的得到Alq3與BAlq這兩種材料的缺陷能階Et與缺陷濃度Nt，
而這兩個物理量都是利用 3.18 與 3.19 式求得，現在我們在將 3.18 式改寫為如 下 3.21 式
3.21 ⎟⎟ ⎣ ⎥⎦
⎜⎜ ⎠
=⎝
T
LUMO
qV
µ N
⎛2Jd
⎞exp⎢⎡Ea
⎤由變溫J-V的數據將ln(J)對 1/T作圖我們可以得到在不同偏壓下的Ea值，所以在 3.21 中可以求出μ與NLUMO的乘積。
在許多的文獻中對於有機材料中載子遷移率都是以 Poole-Frenkel[8]的模
型來表示，如式 3.22
3.22
µ
=µ
0exp(−θ
/kT
)exp(γ E
) 在這個式子裡，一個有機材料的mobility是與溫度成反比且與電場成正比的關 係，從實驗量測可以由 3.21 式中得到μ與NLUMO的乘積值，由於無法從實驗中得到 NLUMO所以就無法得到材料正確的mobility值，但是我們仍然可以用這數據及觀念 來對Alq3與BAlq的mobility特性來作比較。現在我們以 3.21 式中所求得的 mobility對電場開根號作圖 3-17，圖 3-17 可以看出mobility對外加電場變化的 程度，在圖 3-17 中將Alq3 的NLUMO以 1018 cm-3[6]代入所得到的斜率與文獻中[9]用TOF方法所求得的值非常接近，這可以確定實驗的正確性。而BAlq則以 1018及 1019 cm-3代入發現常數NLUMO這個值並不會對mobility隨電場的變化趨勢有影響只 會影響mobility的正確值。在圖 3-17 中發現BAlq的斜率比Alq3大，這代表著BAlq 材料的mobility比較容易隨著電場而改變。表 3-1 為Alq3與BAlq這兩個材料單一 分子的電偶極矩的理論計算值
BAlq Alq3[10]
Ground-state dipole moment
2.15 4.1
Excited-state dipole moment
1.97 2.99
表 3-1
從表 3-1 中知道Alq3的dipole moment大於BAlq，在文獻[11]指出有機分子的 mobility隨電場變化率的大小與其單一分子的電偶極矩有關，電偶極矩愈大的分
子其mobility越容易受到電場的影響，原因是由於分子的電偶極矩越大則分子越 容易受到電場的影響而產生有方向性的排列，因此載子越容易在分子間傳遞。但 是在我們的實驗數據中卻發現卻是相反的情形，理論計算的單一分子電偶極矩 Alq3大於BAlq但是在mobility受到電場的影響卻是小於BAlq，這個與我們所預期 的相反，猜測可能是mobility受電場的影響並不是只有取決單一分子的dipole moment，而是取決於分子大量堆疊後的狀態，也有可能是mobility隨電場的變化 程度與材料的缺陷深度與濃度有關，在這一部分是值得將來繼續在去更深入的研 究探討。
作為一個電激發光元件的材料，高的mobility與低電場影響是必要的，低的 電場影響將增加元件的電流穩定度，在本章節我們由電流-電壓的量測所的到的 結果發現在缺陷與mobility的表現上，Alq3都比BAlq來的好BAlq雖然具有高的能 量轉效率，但是其缺陷濃度很高，mobility的表現也不佳，需作進一步的改進以 得到更好的效能。