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Qu’est-ce que le transport par sauts ? Pourquoi cette méthode affecte-t-elle la mobilité de la charge ?
Dans le domaine de la science des matériaux, le mécanisme de transport de charge est un modèle théorique important pour étudier la manière dont le courant électrique circule dans un milieu spécifique. Ces mécanismes peuvent être divisés en deux types principaux : les solides cristallins et les solides moléculaires. Ces deux extrêmes représentent des caractéristiques différentes des matériaux en transport de charge, qui à leur tour conduisent à des comportements de flux de charge différents.
Dans les solides cristallins, le transport de charge s'effectue principalement par « transport interne », également appelé transport de bande ; tandis que dans les solides moléculaires, il s'effectue par « transport par saut ». Cette nature sautillante du transport signifie que la charge « saute » entre les molécules, un processus qui est affecté par divers facteurs, tels que la température, le champ électrique appliqué et la concentration de l'état local.
« Dans les solides désordonnés, le potentiel de localisation conduit à de faibles effets de localisation (points fixes), qui réduisent le libre parcours moyen des charges mobiles et affectent ainsi leur mobilité. »
Concepts de base de la transmission par saut
Le transport de houblon est un mécanisme de transport de charge largement utilisé dans les matériaux amorphes ou désordonnés. Dans ce processus, les porteurs de charge (tels que les électrons) doivent surmonter certaines barrières énergétiques pour « sauter » vers les molécules ou les atomes environnants. Ce mécanisme s’applique généralement aux solides moléculaires et aux matériaux polymères.
Lorsque le champ électrique change, la mobilité des charges peut être affectée. Par exemple, les champs électriques élevés favorisent l’ionisation thermique des électrons, ce qui leur permet de surmonter plus facilement les obstacles et de sauter. Ce phénomène implique à la fois le mouvement thermique et les propriétés structurelles du matériau, il est donc très complexe.
Effets de concentration des états localisés
Expérimentalement, il a été démontré que lorsque la concentration d’états localisés augmente, la mobilité des charges change de manière non linéaire. Cela est dû au fait que dans le modèle de saut de charge entre voisins les plus proches à de faibles concentrations, la probabilité de saut de charge décroît de manière exponentielle à mesure que la distance entre les atomes ou les molécules augmente.
« Dans un système désordonné, à mesure que la concentration d'états localisés augmente, la mobilité des charges est susceptible de diminuer. »
L'influence de la température sur le transport de charge
La température est un facteur important affectant la mobilité de charge. Lorsque la température augmente, l'énergie cinétique moyenne des charges augmente également, ce qui peut permettre aux électrons de surmonter les barrières énergétiques et de sauter. Cependant, dans certains cas, une température excessive peut également conduire à la recombinaison de porteurs de charge avec des états localisés, réduisant ainsi la mobilité.
À faible densité de porteurs, l'équation de Mott pour la conductivité est utilisée pour décrire l'effet de la température sur le transport par sauts, indiquant que dans une certaine plage de paramètres, la conductivité change avec la température. De plus, à mesure que la densité des porteurs augmente, la conduction d'activation décrite par la loi d'Arrhenius peut également affecter de manière significative la conductivité.
L'influence du champ électrique
Le champ électrique appliqué affecte non seulement la force motrice de la charge, mais peut également affecter de manière significative la mobilité de la charge. Des études ont montré que sous basse tension, le mouvement des porteurs de charge peut suivre une loi exponentielle, ce qui signifie que sous des champs électriques forts, la vitesse de déplacement des porteurs est augmentée.
« L'étude montre que l'application d'un champ électrique élevé augmente la mobilité des porteurs de charge, et cela a été confirmé sur une large gamme d'intensités de champ. »
Détermination expérimentale et perspectives d'avenir
Le mécanisme de transport de charge est souvent déterminé en construisant un appareil et en mesurant ses caractéristiques courant-tension. De plus, la fabrication de ces dispositifs à l’aide de méthodes de dépôt de films micro-minces ou l’analyse plus approfondie des mécanismes de transport par d’autres moyens peuvent approfondir notre compréhension de ce phénomène.
Actuellement, la communauté universitaire est toujours active dans la recherche sur le transport par sauts et la mobilité de charge associée, ce qui peut apporter une inspiration innovante à la conception de futurs matériaux et dispositifs électroniques. Comprendre le transport par saut peut nous aider à développer des appareils électroniques plus efficaces, mais comment cette mobilité au niveau microscopique affecte-t-elle notre vie quotidienne ?
