Éditeur d’interface
1. Aperçu général
L’éditeur d’interfaces permet de contrôler les phénomènes de transport électronique qui se produisent aux limites des matériaux. Les interfaces sont automatiquement répertoriées pour chaque paire de couches adjacentes dans la structure du dispositif. Par défaut, les porteurs de charge peuvent dériver et diffuser à travers les interfaces en fonction du gradient des bandes de conduction ou de valence : les porteurs se déplaçant vers des niveaux d’énergie plus élevés rencontrent des barrières et les franchissent moins facilement, tandis que les porteurs se déplaçant vers des niveaux d’énergie plus faibles les franchissent facilement. L’éditeur d’interfaces complète ce modèle de base de dérive et de diffusion en introduisant des mécanismes de transport supplémentaires qui peuvent, par exemple, faciliter les transitions difficiles vers des niveaux d’énergie plus élevés. Pour ouvrir l’éditeur, cliquez sur l’icône Interfaces (barres rouge, verte et bleue) dans le ruban Électrique.
2. Paramètres
- Effet tunnel direct (électrons/trous) : permet un effet tunnel quantique direct des porteurs à travers la barrière d’interface. Sur la base du modèle décrit dans la section théorique : \[ J = A(n-n^{eq})V \exp\left(-B\sqrt{\phi}\right), \], où \(A\) a des unités de m·s\(^{-1}\)·V\(^{-1}\), \(B\) est un paramètre sans dimension (paramètre d’ajustement), \(\phi\) est la hauteur de la barrière, \(V\) la tension appliquée et \(d\) l’épaisseur de l’interface. Des réglages distincts existent pour les électrons et les trous, chacun ayant ses propres valeurs A/B.
- Le transport par effet tunnel dans les matériaux organiques constitue un cas particulier applicable aux hétérojonctions organiques, où les porteurs de charge se déplacent vers des états de piégeage localisés à l’interface. Comme décrit dans la section consacrée à la théorie, le courant de transport par effet tunnel s’exprime comme suit : \[ J_p = q T_{h}\left((p_{1}-p_{1}^{eq})-(p_{0}-p_{0}^{eq})\right), \] pour les trous et \[ J_n = -q T_{e}\left((n_{1}-n_{1}^{eq})-(n_{0}-n_{0}^{eq})\right), \] pour les électrons, où \(T_h\) et \(T_e\) sont des constantes de vitesse définies à l’aide des paramètres configurables dans l’éditeur.
- Dopage de l’interface (côté gauche/côté droit) : applique une couche de charge d’une épaisseur correspondant à un seul point de maillage, soit sur le côté gauche, soit sur le côté droit de l’interface. Les valeurs peuvent être positives ou négatives, ce qui permet de simuler l’accumulation ou l’appauvrissement de la charge à l’interface. Cette fonctionnalité est utile pour modéliser la charge piégée aux limites ou les variations de la tension de seuil dans les transistors OFET.
3. Pièges d’interface dans les structures à hétérojonction.
OghmaNano prend en compte la recombinaison de Shockley-Read-Hall (SRH) par le biais d’états de piégeage situés aux interfaces des matériaux. Les piégeages d’interface sont définis par une densité surfacique \(N_t\) exprimée en m-2.
Le taux de recombinaison est calculé à l’aide de la formule standard de SRH :
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}, \]où \(n\) et \(p\) représentent les concentrations locales d’électrons et de trous, \(n_{\mathrm{eq}}\) et \(p_{\mathrm{eq}}\) représentent les concentrations d’équilibre correspondantes, et \(n_1\) et \(p_1\) décrivent la position énergétique de l’état de piégeage.
Les durées de vie de capture des électrons et des trous sont les suivantes :
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th},n} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th},p} N_t}, \]où \(\sigma_n\) et \(\sigma_p\) représentent les sections efficaces de capture des électrons et des trous, et \(v_{\mathrm{th},n}\) et \(v_{\mathrm{th},p}\) représentent les vitesses thermiques correspondantes.
La densité des pièges à l’interface est répartie de manière uniforme sur les deux points du maillage situés de part et d’autre de la limite du matériau. Pour les espacements de maillage gauche \(\Delta x_L\) et droit \(\Delta x_R\), les densités de pièges locales correspondantes sont les suivantes :
\[ N_{t,L} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_L}, \qquad N_{t,R} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_R}. \]Cela donne :
\[ N_{t,L}\Delta x_L + N_{t,R}\Delta x_R = N_{t,\mathrm{interface}}. \]Le taux de recombinaison SRH est évalué des deux côtés de l’interface en utilisant les concentrations locales de porteurs et les paramètres des matériaux.
L’énergie du niveau de piégeage est définie par rapport au centre de la bande interdite locale :
\[ E_t = \frac{E_g}{2} + \Delta E_t, \]où \(\Delta E_t\) représente la valeur saisie dans le champ « Et » (par rapport à Eg/2). Les concentrations auxiliaires de porteurs SRH sont les suivantes :
\[ n_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_t-E_g/2)}{k_B T} \right), \qquad p_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_g/2-E_t)}{k_B T} \right). \]Les paramètres de la section « Pièges d’équilibre SRH » de l’éditeur d’interface sont les suivants :
- Les pièges d’interface SRH sont activés : cette option permet d’activer ou de désactiver la recombinaison SRH au niveau de l’interface.
- Et (par rapport à Eg/2) : énergie du niveau de piège par rapport au centre de la bande interdite locale, en électron-volts (eV). Une valeur de 0 place le niveau de piège au milieu de la bande interdite.
- Nt : densité totale des pièges à l’interface, exprimée en m-2.
- σn — section efficace de capture d’électrons, en m².
- σp — section efficace de capture des trous, en m².
La recombinaison à l’interface SRH est utilisée pour modéliser la recombinaison assistée par des défauts aux limites des matériaux, notamment aux interfaces entre les couches de semi-conducteurs et les couches de transport dans les cellules solaires, les DEL et autres dispositifs multicouches. Elle est particulièrement utile pour étudier la passivation des interfaces, où les modifications de la densité des pièges d’interface ou de la section efficace de capture modifient le taux de recombinaison non radiative.
4. Application dans le cadre de simulations.
Les processus qui se déroulent à l’interface ont une influence considérable sur le transport des charges et les caractéristiques des dispositifs :
- L’effet tunnel prédomine lorsque les barrières sont minces ou lorsque le saut assisté par des pièges est possible aux interfaces organiques.
- Le dopage de l’interface permet de simuler des couches de défauts chargés ou de reproduire une modification intentionnelle de l’interface, ce qui modifie la courbure locale des bandes d’énergie et les barrières d’injection.
En combinant ces différents mécanismes, l’éditeur d’interface permet de modéliser de manière réaliste la physique des dispositifs dans les hétérostructures organiques et hybrides, depuis l’effet tunnel assisté par des pièges dans les OLED jusqu’aux effets de charge à l’interface dans les OFET.