Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Photoluminescence in disordered Zn2TiO4

In this work, the polymeric precursor method Was used to obtain disordered Zn2TiO4 powders, either Undoped or doped with Sn4+, Cr3+ and V5+, to be applied its photoluininescent material. The characterization was undertaken by means of thermal analysis (TG and DTA), X-ray diffraction (XRD), infrared spectroscopy (IR) and photoluminescence (PL). Previous works stated that titanate octahedra containing a short Ti-O distance show efficient luminescence at roorn temperature if these octahedra are isolated from each other. In the present work, the phenomenon was observed in condensed octahedra, sharing edges. The room temperature PL noticed in undoped Zn2TiO4 had its intensity increased by the dopant addition-the increase was of about 300% for V5+ doping 400% for Cr3+ and 800% for Sn4+. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Universality class of fiber bundles with strong heterogeneities

We study the effect of strong heterogeneities on the fracture of disordered materials using a fiber bundle model. The bundle is composed of two subsets of fibers, i.e. a fraction 0 ≤ α ≤ 1 of fibers is unbreakable, while the remaining 1 - α fraction is characterized by a distribution of breaking thresholds. Assuming global load sharing, we show analytically that there exists a critical fraction of the components αc which separates two qualitatively diferent regimes of the system: below αc the burst size distribution is a power law with the usual exponent Ƭ= 5/2, while above αc the exponent switches to a lower value Ƭ = 9/4 and a cutoff function occurs with a diverging characteristic size. Analyzing the macroscopic response of the system we demonstrate that the transition is conditioned to disorder distributions where the constitutive curve has a single maximum and an inflexion point defining a novel universality class of breakdown phenomena

Critical ruptures in a bundle of slowly relaxing fibers

We study the damage enhanced creep rupture of disordered materials by means of a fiber bundle model. Broken fibers undergo a slow stress relaxation modeled by a Maxwell element whose stress exponent m can vary in a broad range. Under global load sharing we show that due to the strength disorder of fibers, the lifetime ʧ of the bundle has sample-to-sample fluctuations characterized by a log-normal distribution independent of the type of disorder. We determine the Monkman-Grant relation of the model and establish a relation between the rupture life tʄ and the characteristic time tm of the intermediate creep regime of the bundle where the minimum strain rate is reached, making possible reliable estimates of ʧ from short term measurements. Approaching macroscopic failure, the deformation rate has a finite time power law singularity whose exponent is a decreasing function of m. On the microlevel the distribution of waiting times is found to have a power law behavior with m-dependent exponents different below and above the critical load of the bundle. Approaching the critical load from above, the cutoff value of the distributions has a power law divergence whose exponent coincides with the stress exponent of Maxwell elements

Étude de la formation et de l'évolution de nanostructures par méthodes Monte Carlo

Cette thèse, composée de quatre articles scientifiques, porte sur les méthodes numériques atomistiques et leur application à des systèmes semi-conducteurs nanostructurés. Nous introduisons les méthodes accélérées conçues pour traiter les événements activés, faisant un survol des développements du domaine. Suit notre premier article, qui traite en détail de la technique d'activation-relaxation cinétique (ART-cinétique), un algorithme Monte Carlo cinétique hors-réseau autodidacte basé sur la technique de l'activation-relaxation nouveau (ARTn), dont le développement ouvre la voie au traitement exact des interactions élastiques tout en permettant la simulation de matériaux sur des plages de temps pouvant atteindre la seconde. Ce développement algorithmique, combiné à des données expérimentales récentes, ouvre la voie au second article. On y explique le relâchement de chaleur par le silicium cristallin suite à son implantation ionique avec des ions de Si à 3 keV. Grâce à nos simulations par ART-cinétique et l'analyse de données obtenues par nanocalorimétrie, nous montrons que la relaxation est décrite par un nouveau modèle en deux temps: "réinitialiser et relaxer" ("Replenish-and-Relax"). Ce modèle, assez général, peut potentiellement expliquer la relaxation dans d'autres matériaux désordonnés. Par la suite, nous poussons l'analyse plus loin. Le troisième article offre une analyse poussée des mécanismes atomistiques responsables de la relaxation lors du recuit. Nous montrons que les interactions élastiques entre des défauts ponctuels et des petits complexes de défauts contrôlent la relaxation, en net contraste avec la littérature qui postule que des "poches amorphes" jouent ce rôle. Nous étudions aussi certains sous-aspects de la croissance de boîtes quantiques de Ge sur Si (001). En effet, après une courte mise en contexte et une introduction méthodologique supplémentaire, le quatrième article décrit la structure de la couche de mouillage lors du dépôt de Ge sur Si (001) à l'aide d'une implémentation QM/MM du code BigDFT-ART. Nous caractérisons la structure de la reconstruction 2xN de la surface et abaissons le seuil de la température nécessaire pour la diffusion du Ge en sous-couche prédit théoriquement par plus de 100 K.

Charge injection in an LED with a hybrid composite as the emissive layer

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Electric characterization of a hybrid composite based on POMA/P(VDF- TrFE)/Zn2SiO4 : Mn using impedance spectroscopy

Understanding the microscopic origin of the dielectric properties of disordered materials has been a challenge for many years, especially in the case of samples with more than one phase. For polar dielectrics, for instance, the Lepienski approach has indicated that the random free energy barrier model of Dyre must be extended. Here we analyse the dielectric properties of a polymer blend made up with the semiconducting poly(o-methoxyaniline) and poly( vinylidene fluoride-trifluorethylene) POMA/P(VDF-TrFE), and of a hybrid composite of POMA/P(VDF-TrFE)/Zn2SiO4:Mn. For the blend, the Lepienski model, which takes into account the rotation or stretching of electric dipoles, provided excellent fitting to the ac impedance data. Because two phases had to be assumed for the hybrid composite, we had to extend the Lepienski model to fit the data, by incorporating a second transport mechanism. The two mechanisms were associated with the electronic transport in the polymeric matrix and with transport at the interfaces between Zn2SiO4: Mn microparticles and the polymeric matrix, with the relative importance of the interfacial component increasing with the percentage of Zn2SiO4: Mn in the composite. The analysis of impedance data at various temperatures led to a prediction of the theoretical model of a change in morphology at 190 +/- 40 K, and this was confirmed experimentally with a differential scanning calorimetry experiment.

Lineare und nichtlineare dielektrische Spektroskopie am Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat

Relaxor-Ferroelektrika sind wegen ihrer möglichen technischen Anwendungen und vom Standpunkt der Grundlagenforschung als Beispiel für ungeordnete Systeme von wissenschaftlichem Interesse. Trotz zahlreicher experimenteller Untersuchungen sind die mikroskopischen Ursachen ihrer Eigenschaften aber nach wie vor ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Relaxor-Ferroelektrikum Bleimagnesiumniobat-Bleititanat (PMN-10PT) mittels linearer und nichtlinearer dielektrischer Spektroskopie untersucht. Durch Anregung mit starken elektrischen Wechselfeldern konnten mit der Methode des nichtresonanten dielektrischen Lochbrennens frequenzselektiv einzelne spektrale Bereiche aus dem verbreiterten Relaxationsspektrum herausgegriffen und deren Rückrelaxation separat verfolgt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, daß eine langlebige dynamische Heterogenität der dipolaren Reorientierung existiert. Durch ihr ausgeprägt nichtergodisches Verhalten zeigen Relaxor-Ferroelektrika starke Alterungseffekte. Die Untersuchung des Alterungsverhaltens der dielektrischen Suszeptibilität zeigte, daß ein Gedächtnis für die bei einer Alterungstemperatur eingenommene Konfiguration bestehen bleibt, sofern die Temperatur nach einer unvollständigen isothermen Alterung nur um einige Grad abgesenkt oder erhöht wurde.Außerdem wurde die induzierte Polarisation bei stochastischen dielektrischen Anregungen mit elektrischen Feldern, die in sehr guter Näherung ein weißes Rauschen darstellten, untersucht. Über die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Feld und Polarisation konnte die Impulsantwortfunktion des Systems berechnet werden.Die experimentellen Ergebnisse am Relaxor-Ferroelektrikum PMN-10PT können sehr gut mit einem Modell eines ungeordneten Ferroelektrikums erklärt werden, dessen Domänenwände unordnungsbedingt an sogenannten Pinning-Zentren festhaften.

Probing the pore wall structure of nanoporous carbons using adsorption

Hitherto, adsorption has been traditionally used to study only the porous structure in disordered materials, while the structure of the solid phase skeleton has been probed by crystallographic methods such as X-ray diffraction. Here we show that for carbons density functional theory, suitably adapted to consider heterogeneity of the pore walls, can be reliably used to probe features of the solid structure hitherto accessibly only approximately even by crystallographic methods. We investigate a range of carbons and determine pore wall thickness distributions using argon adsorption, with results corroborated by X-ray diffraction.

Extracting and validating force fields for disordered polymeric materials from neutron scattering data

We present a new approach that allows the determination and refinement of force field parameters for the description of disordered macromolecular systems from experimental neutron diffraction data obtained over a large Q range. The procedure is based on tight coupling between experimentally derived structure factors and computer modelling. By separating the potential into terms representing respectively bond stretching, angle bending and torsional rotation and by treating each of them separately, the various potential parameters are extracted directly from experiment. The procedure is illustrated on molten polytetrafluoroethylene.

Extracting force fields for disordered polymeric materials from neutron scattering data

We present a new approach that allows the determination of force-field parameters for the description of disordered macromolecular systems from experimental neutron diffraction data obtained over a large Q range. The procedure is based on a tight coupling between experimentally derived structure factors and computer modelling. We separate the molecular potential into non-interacting terms representing respectively bond stretching, angle bending and torsional rotation. The parameters for each of the potentials are extracted directly from experimental data through comparison of the experimental structure factor and those derived from atomistic level molecular models. The viability of these force fields is assessed by comparison of predicted large-scale features such as the characteristic ratio. The procedure is illustrated on molten poly(ethylene) and poly(tetrafluoroethylene).

Anderson localization of light in disordered superlattices containing graphene layers

We theoretically investigate light propagation and Anderson localization in one-dimensional disordered superlattices composed of dielectric stacks with graphene sheets in between. Disorder is introduced either on graphene material parameters ({\it e.g.} Fermi energy) or on the widths of the dielectric stacks. We derive an analytic expression for the localization length $\xi$, and compare it to numerical simulations using transfer matrix technique; a very good agreement is found. We demonstrate that the presence of graphene may strongly attenuate the anomalously delocalised Breswter modes, and is at the origin of a periodic dependence of $\xi$ on frequency, in contrast to the usual asymptotic decay, $\xi \propto \omega^{-2}$. By unveiling the effects of graphene on Anderson localization of light, we pave the way for new applications of graphene-based, disordered photonic devices in the THz spectral range.

Perpendicular magnetic anisotropy in chemically disordered FePd-FeV(100) alloy thin films

We find that the use of V(100) buffer layers on MgO(001) substrates for the epitaxy of FePd binary alloys yields to the formation at intermediate and high deposition temperatures of a FePd¿FeV mixed phase due to strong V diffusion accompanied by a loss of layer continuity and strong increase of its mosaic spread. Contrary to what is usually found in this kind of systems, these mixed phase structures exhibit perpendicular magnetic anisotropy (PMA) which is not correlated with the presence of chemical order, almost totally absent in all the fabricated structures, even at deposition temperatures where it is usually obtained with other buffer layers. Thus the observed PMA can be ascribed to the V interdiffusion and the formation of a FeV alloy, being the global sample saturation magnetization also reduced.

Structures of Pd(CN)2and Pt(CN)2: intrinsically nanocrystalline materials?

Analysis and modeling of X-ray and neutron Bragg and total diffraction data show that the compounds referred to in the literature as “Pd(CN)2”and“Pt(CN)2” are nanocrystalline materials containing of small sheets of vertex-sharing square-planar M(CN)4 units, layered in a disordered manner with an intersheet separation of 3.44 A at 300 K. The small size of the crystallites means that the sheets’ edges form a significant fraction of each material. The Pd(CN)2 nanocrystallites studied using total neutron diffraction are terminated by water and the Pt(CN)2 nanocrystallites by ammonia, in place of half of the terminal cyanide groups, thus maintaining charge neutrality. The neutron samples contain sheets of approximate dimensions 30 A x 30 A. For sheets of the size we describe, our structural models predict compositions of Pd(CN)2-xH2O and Pt(CN)2-yNH3 (x = y = 0.29). These values are in good agreement with those obtained from total neutron diffraction and thermal analysis, and are also supported by infrared and Raman spectroscopy measurements. It is also possible to prepare related compounds Pd(CN)2-pNH3 and Pt(CN)2-qH2O, in which the terminating groups are exchanged. Additional samples showing sheet sizes in the range 10 A x 10 A (y = 0.67) to 80 A x 80 A (p = q = 0.12), as determined by X-ray diffraction, have been prepared. The related mixed-metal phase, Pd1/2Pt1/2(CN)2-qH2O(q = 0.50), is also nanocrystalline (sheet size 15 A x 15 A). In all cases, the interiors of the sheets are isostructural with those found in Ni(CN)2. Removal of the final traces of water or ammonia by heating results in decomposition of the compounds to Pd and Pt metal, or in the case of the mixed-metal cyanide, the alloy, Pd1/2Pt1/2, making it impossible to prepare the simple cyanides, Pd(CN)2, Pt(CN)2 or Pd1/2Pt1/2(CN)2, by this method.