Trong các thí nghiệm điện phát quang, ánh sáng khơng phát ra. Để tìm lời giải thích cho các kết quả trên, mối nối này đã được mơ phỏng bằng phần mềm Silvaco.
Phần mềm Silvaco giúp mơ phỏng các cấu trúc bán dẫn như các diode, diode phát sáng hoặc các tế bào quang điện. Trong nghiên cứu này, phần mềm được sử dụng để mơ phỏng mật độ tái tổ hợp trong mối nối dị thể và các mật độ dịng.
Hình 3.30 biểu diễn mặt cắt của một sợi nano, được giả định là cĩ hình trụ, trên một đế ZnO và một lớp PEDOT:PSS. Chiều dài của sợi nano là 2 µm, đường kính là 1µm và độ dày của lớp PEDOT:PSS phủ đều xung quanh là 0.5 µm. Bề dày của đế ZnO là 0.25 µm. Các hằng số của vật liệu trong quá trình mơ phỏng này là:
• Mật độ điện tử 1018 cm-3 trong ZnO.
• Thời gian sống của các điện tử và lỗ trống 10-6 s.
• Tốc độ tổ hợp điện tử – lỗ trống trong ZnO và trong PEDOT:PSS là 10-8 cm3s-1.
• Mật độ trạng thái của PEDOT:PSS là Nc = 2.2 × 1018 cm-3 và Nv = 1.8 × 1019 cm-3. Các thơng số này chưa được cơng bố trong các báo cáo nên được giả định là cĩ cùng bậc độ lớn với các tham số trong GaN.
Cấu trúc được mơ phỏng ở ba mức điện thế anod (0 V, 5 V và 10 V). Điện thế cathod luơn là 0 V.
Phần mềm Silvaco khơng phân biệt các mặt khác nhau của ZnO, vốn cĩ các tính chất điện khác nhau. Mơ hình được sử dụng trong các mơ phỏng là mơ hình SRH (Shockley-Read-Hall).
Hình 35: Mơ phỏng mặt cắt cấu trúc sợi nano – PEDOT:PSS.
Đường biểu diễn dưới đây (hình 3.31) cho thấy mật độ tái tổ hợp trong cấu trúc này theo điện thế áp vào anod. Mật độ này cĩ thể đạt đến 1017 cm-3s-1. Tuy nhiên, sự tái tổ hợp chỉ diễn ra bên trong PEDOT:PSS thay vì ZnO như mong muốn và khơng phát ra ánh sáng màu xanh vì giá trị năng lượng vùng cấm của PEDOT:PSS nhỏ hơn. Đường đặc tính I-V (hình 3.32) cũng cho thấy sự tồn tại của một mối nối p-n nhưng sự chỉnh lưu thấp hơn so với một số mẫu đạt được trong các thí nghiệm.
Hình 36: Mơ phỏng mật độ tái tổ hợp. Mật độ này trong ZnO gần như bằng 0.
Hình 38: Mơ phỏng mật độ tái tổ hợp. Vùng màu đỏ cĩ mật độ tái tổ hợp cao hơn.
Quá trình tái tổ hợp ở các điện thế 5 V và 10 V được mơ phỏng trong hình 3.33 theo thang logarithm. Vùng màu đỏ (cĩ mật độ tái tổ hợp cao hơn) nằm trong vùng PEDOT:PSS, và hầu như khơng cĩ quá trình tái tổ hợp trong vùng ZnO. Hiện tượng này cĩ thể được giải thích thơng qua sự mơ phỏng cấu trúc dải năng lượng trong hai trường hợp trên (hình 3.34).
Hình 40: a) Mơ phỏng mật độ tái tổ hợp ở điện thế 1V; b) Cấu trúc miền năng lượng ở 0 V; c) Cấu trúc miền năng lượng ở 1 V.
Ở điện thế 1 V, rào cản dành cho các điện tử vẫn cịn ở liên diện và ngăn chúng đi vào PEDOT:PSS, do đĩ làm giảm mật độ tái tổ hợp trong vùng này. Tuy nhiên, mật độ tái tổ hợp tổng cộng cũng giảm và rào cản dành cho các lỗ trống lại tăng lên so với các trường hợp trước.
Các mơ phỏng cho thấy rằng PEDOT:PSS khơng phải là vật liệu lý tưởng để thực hiện các mối nối p-n với ZnO cho các ứng dụng LED. Tuy nhiên, trong thực tế, cĩ thể tồn tại các trạng thái bề mặt tại liên diện ZnO – PEDOT:PSS. Do đĩ, mức Fermi cĩ thể bị kẹp ở một vị trí nhất định ; các lỗ trống và điện tử cĩ thể bị bẫy tại liên diện. Trong trường hợp này, mật độ tái tổ hợp mạnh hơn và ánh sáng màu xanh cĩ thể phát ra từ liên diện.
Một vấn đề khác cĩ thể gây ra mật độ tái tổ hợp thấp tại liên diện và trong ZnO là hướng của các mật độ dịng. Trong hình mơ phỏng dưới đây (hình 3.36), các mật độ dịng hầu như khơng đi qua liên diện của mặt m, vốn cĩ diện tích lớn hơn. Tỉ lệ diện tích bề mặt/thể tích lớn của các sợi nano nhờ vào các mặt bên chính là lý do các sợi nano được giữ lại cho các thí nghiệm này. Các mật độ dịng “tránh” các liên diện và song song với chúng, ngoại trừ tại các gĩc nơi cĩ các thế năng cao bất thường. Các mật độ dịng đi vào trong sợi nano ZnO chủ yếu thơng qua liên diện tại đỉnh và chân của các sợi nano.
Hình 41: a) Mơ phỏng các mật độ dịng bằng các vector; b) Mật độ dịng gần đỉnh của sợi nano; c) Mật độ dịng tại chân của sợi nano.