有機(jī)光電半導(dǎo)體課件

通過化學(xué)能使美好的生活變得更美好。

——美國杜邦21世紀(jì)，隨著人們對(duì)物質(zhì)生活更深入的認(rèn)識(shí)，，作為物質(zhì)生活最基本內(nèi)容之一的化學(xué)，將對(duì)人類生活產(chǎn)生越來越深刻的影響。我們想通過本次介紹，來說明一個(gè)事實(shí)，那就是，化學(xué)工業(yè)的推動(dòng)力是人類生活的需求和創(chuàng)新?；瘜W(xué)工業(yè)發(fā)展的新準(zhǔn)則是高附加值、高利潤和極其安全的水準(zhǔn)。

有機(jī)光電子材料及其在信息領(lǐng)域的應(yīng)用是近年來化學(xué)學(xué)科的一個(gè)嶄新的研究方向，它體現(xiàn)了化學(xué)與材料、電子等學(xué)科的結(jié)合，其發(fā)展的結(jié)果將產(chǎn)生一個(gè)新興的行業(yè)－有機(jī)電子產(chǎn)業(yè)(OrganicElectronicsIndustry)。與此同時(shí)，一門新興的學(xué)科－“有機(jī)電子學(xué)”或“分子電子學(xué)”也孕育而生。

有機(jī)電子學(xué)（OrganicElectronics）是為了適應(yīng)有機(jī)薄膜科學(xué)和技術(shù)的迅速發(fā)展而建立起來的一門新興學(xué)科，其主要的研究?jī)?nèi)容包括有機(jī)小分子和聚合物材料中的電子狀態(tài)、電荷傳輸特性、光電轉(zhuǎn)換過程和光電轉(zhuǎn)換規(guī)律等等

有機(jī)光電屬化學(xué)、物理、材料、電子等學(xué)科的交叉領(lǐng)域，借助分子工程概念，開展與有機(jī)光電子材料、有機(jī)半導(dǎo)體材料相關(guān)的分子設(shè)計(jì)、分子結(jié)構(gòu)與材料功能之間的相互關(guān)系、分子合成、功能薄膜及功能器件制備以及相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究與應(yīng)用此領(lǐng)域研究的課題有機(jī)導(dǎo)體有機(jī)晶體管有機(jī)電容聚合物調(diào)制器聚合物熱光開關(guān)有機(jī)光電傳感器有機(jī)太陽能電池有機(jī)發(fā)光二級(jí)管（OLED)有機(jī)泵浦激光染料我們已經(jīng)知道，分子中如π或n電子，可以通過光的吸收，激發(fā)到反鍵軌道上去，事實(shí)上每增加一個(gè)雙鍵，都把吸收峰移向長波方向，假若可見光部分就可以發(fā)生這種激發(fā)，就可以得到有色物質(zhì)——染料。傳統(tǒng)的染料的作用是賦予被著色基以各種顏色，而現(xiàn)在新型的染料是光和熱，電等各種能量之下產(chǎn)生的一些特殊應(yīng)答，又叫做功能性色素。晶體的最上面而且其中有電子存在的能帶叫價(jià)帶，其上相鄰的那個(gè)空著的能帶叫做導(dǎo)帶。能帶間沒有電子可能的量子態(tài)區(qū)域叫做禁帶。能帶vs導(dǎo)體半導(dǎo)體在0K時(shí)價(jià)帶被電子排滿，導(dǎo)帶空著，但價(jià)帶和導(dǎo)帶的禁帶寬度較小。在常溫下有電子從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶，可以導(dǎo)電。除了電子導(dǎo)電外還有空穴導(dǎo)電。有機(jī)發(fā)光二極管OLED制備過程簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)彩色屏幕和大屏幕顯示；亮度高，功耗少，可用于照明；低壓直流驅(qū)動(dòng)，可以和集成電路驅(qū)動(dòng)相匹配；可制成單片光源，可作成集成電路上兩個(gè)芯片之間的光電耦合通訊；若與聚合物電極配合使用，可能制出作用于電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的全塑料超薄顯示屏。這方面已經(jīng)成為了有機(jī)光電領(lǐng)域最引人注目的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都投入了大量資金研究(Electroluminescence,EL)是一種電控發(fā)光器件,是某些物質(zhì)受電子激發(fā)而發(fā)出光.有機(jī)EL現(xiàn)象在1960年已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所用的有機(jī)發(fā)光材料是由多環(huán)的共軛有機(jī)化合物組成的，如萘、蒽、苯并蒽、咔唑、芴、二聯(lián)苯、三聯(lián)苯，1，4---二苯基丁二烯得做為主體材料，以蒽、丁省、戊省等為活化劑而制成。電致發(fā)光在光致發(fā)光中，如果在能量為hυ的光子作用下價(jià)帶的電子受到激發(fā)但尚不能進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，即受到空穴庫侖場(chǎng)的作用，則形成相互束縛的受激電子——空穴對(duì)，它對(duì)外呈電中性。這些彼此相束縛的受激電子和空穴組成的系統(tǒng)成為激子（Exciton)。電致發(fā)光同樣要經(jīng)過這種激子，只是產(chǎn)生激子的方式不同罷了。OLED屬于電致型發(fā)光，電子或空穴從電極注入有機(jī)層中，形成帶正電或負(fù)電的極化子（polaron)。極化子在外加電場(chǎng)下發(fā)生移動(dòng)，和帶相反電荷的極化子形成極化激子（polaronexciton)。接著在發(fā)光層中發(fā)生輻射復(fù)合而發(fā)光。對(duì)敏化染料的要求選擇有機(jī)電致發(fā)光材料時(shí)要考慮材料的光、熱以及電化學(xué)的穩(wěn)定性，HOMO、LUMO能級(jí)，載流子傳輸性能、成膜性能等?？昭▊鬏攲右钥昭▽?dǎo)電為主，而電子傳輸層則以電子導(dǎo)電為主。發(fā)光層材料除了具有一定的載流子傳輸特性以外，還要有較高的熒光效率。常見的空穴傳輸材料主要是，三苯胺類衍生物；電子傳輸材料主要是噁唑類的衍生物。TPD有一類有機(jī)金屬螯合物既是很好的發(fā)光層，又兼?zhèn)淞穗娮觽鬏數(shù)墓δ?，如：Alq3。

清華大學(xué)于2019年開始從事有機(jī)EL的研究工作，幾年來，在材料制備、設(shè)備研制和器件開發(fā)上均取得了顯著進(jìn)展。

化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光大多是在氧化反應(yīng)過程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)換所引起的。例如，氨基苯二酰肼在堿性水溶液里，在氧化作用下發(fā)藍(lán)光，其反應(yīng)過程如下：Tomake(afilmorplate)sensitivetolight,especiallytolightofaspecificwavelength.使膠片或感光版對(duì)光,尤指對(duì)一定波長的光敏感.敏化TiO2、SnO2、SrTiO3等半導(dǎo)體材料是光能轉(zhuǎn)換的理想材料，但因其禁帶寬度相當(dāng)于紫外區(qū)的能量，無法直接與太陽能轉(zhuǎn)換。人們研究發(fā)現(xiàn)，將某些與寬帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶能量匹配的有機(jī)染料，吸附到半導(dǎo)體上，利用染料對(duì)可見光的強(qiáng)吸收，從而將體系的光譜響應(yīng)延伸到可見區(qū)，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的染料敏化作用。全固態(tài)電池由全固態(tài)敏化二氧化鈦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖可以看到,電池主要由透明導(dǎo)電基片、致密二氧化鈦層、染料敏化的多相結(jié)合金屬電極組成。其中引入致密的二氧化鈦是為了防止導(dǎo)電級(jí)偏于空穴輸出材料直接接觸而造成短路。染料敏化的多相結(jié)主要含多孔二氧化鈦膜、染料、空穴傳輸材料和一些添加劑。多相結(jié)中的染料的電子收到能量低于二氧化鈦的導(dǎo)帶內(nèi)，而染料分子自身轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘧B(tài)。注入到二氧化鈦中的電子富集于導(dǎo)電基底，并通過外電路流向金屬電極。處于氧化態(tài)的染料分子通過空穴傳輸層得到電子（或者說染料分子中的空穴注入空穴傳輸層，并最終到達(dá)金屬電極）而得到還原。同樣，在整個(gè)過程中各物質(zhì)表觀上沒有發(fā)生什么變化，而光能轉(zhuǎn)換為電能。電池的開路電壓取決于二氧化鈦的Fermi能級(jí)和空穴傳輸材料的HOMO能級(jí)之差。工作原理圖D+hνD*D?D+e?

導(dǎo)帶（二氧化鈦）DD+h

價(jià)帶（空穴傳輸材料）光電轉(zhuǎn)換原理如圖，上式為光電轉(zhuǎn)化的表示式，其中h代表空穴，D代表基態(tài)染料分子，D為激發(fā)態(tài)染料分子，D表示氧化態(tài)染料分子，X為鹵素分子。對(duì)敏化染料的要求1、在二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體表面有良好的吸附性。2、在可見光區(qū)有較強(qiáng)的盡量寬的吸收帶3、其氧化態(tài)和激發(fā)態(tài)要有較高的穩(wěn)定性4、激發(fā)態(tài)壽命足夠長，且具有很高的電荷傳輸效率染料的種類1.羧酸多吡啶釕2.磷酸多吡啶釕3.多核聯(lián)吡啶釕4.純有機(jī)染料有機(jī)光電材料的應(yīng)用舉例

◆信息記錄材料

ForCD-RForDVD-R？ForHDDVDorBlu-Ray

◆有機(jī)導(dǎo)體和超導(dǎo)體TMTSF四甲基四硒富瓦烯BEDT-TTF雙-(亞乙烯基二硫代)四硫富瓦?！竦谝唬?TMTSF)2PF6

[Tc=0.9K,1.2×109Pa]●最高(?)：κ-(ET)2Cu[N(CN)2]Cl[Tc=12.8K]

◆有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)材料一些常見的n型半導(dǎo)體材料小分子典型的p型材料◆有機(jī)光致變色材料二芳基乙烯類光致變色化合物的光異構(gòu)化反應(yīng)螺惡嗪類化合物分子的光異構(gòu)化反應(yīng)分子器件分子導(dǎo)線分子開關(guān)分子整流器分子存儲(chǔ)器分子馬達(dá)分子電路高度共軛的烴類化合物、卟啉低聚物、DNA生物分子、盤狀液晶、有機(jī)電荷復(fù)合物激光超快開關(guān)、光致變色開關(guān)、熒光開關(guān)、電化學(xué)開關(guān)、磁性開關(guān)、超分子開關(guān)雙鍵體系、葉輪體系、DNA體系納米線體系、碳納米管體系、有機(jī)分子體系OL

E

D各種顯示技術(shù)與OLED的特性比較CRTLCDOLEDLEDPDPVFD電壓特性×★★★×△發(fā)光亮度☆☆★△△☆發(fā)光效率☆☆★△△☆元件壽命★☆☆★△△元件重量×★★△☆△元件厚度×★★△☆△應(yīng)答速度★△★★☆☆視角★△★×△☆色彩★☆★△☆☆生產(chǎn)性☆☆☆☆△△成本價(jià)格★☆☆☆△★非常好☆好△普通×需要改善CRT：陰極射線管顯示器LCD：液晶顯示器OLED：有機(jī)電致發(fā)光顯示器LED：發(fā)光二極管顯示器PDP：等離子顯示器VFD：真空熒光顯示器TFTLCD與主動(dòng)式LTPSOLED顯示器特性比較規(guī)格a-Si15”TFTLCD15”AMLTPSOLED(SAMSUNGSID2019)亮度200cd/m2300cd/m2應(yīng)答時(shí)間8–20ms＜1μs視訊SemiVideoImagePerfectVideoImage顏色純度75%90%視角160°170°對(duì)比度250–300:1＞300:1功率消耗15–40W＜10W壽命＞20000h＞20000hOLED顯示器的進(jìn)展(a)基(b)板(c)陽極電子傳輸層陰極空穴傳輸層發(fā)光層傳導(dǎo)電子發(fā)光層陰極(d)基(e)板(f)陽極電子注入層發(fā)光層陰極陰極局限層空穴注入層陰極陰極傳導(dǎo)空穴發(fā)光層發(fā)光層電子傳輸層空穴傳輸層空穴傳輸層電子傳輸層電子傳輸層空穴傳輸層---+++-----+++++-----+++++-----+++++-----+++++-----+++++---+++各種OLED元件結(jié)構(gòu)陰極材料合金功函數(shù)與注入能障(Schottkybarrier)的關(guān)系陽極材料IZO與ITO的比較空穴注入材料（HIM）一些空穴注入材料的結(jié)構(gòu)空穴輸送材料（HTM）一些空穴輸送材料的結(jié)構(gòu)電子注入層材料（EIM）堿金屬化合物堿金屬氟化合物L(fēng)i2OLiBO2K2SiO3Cs2CO3CH3COORb...LiFNaFKFRbFCsF...電子輸送材料(ETM)/空穴阻隔材料(HBM)熒光發(fā)光材料紅光材料綠光材料藍(lán)光材料黃光材料白光材料BLUEGREENYELLOWORENGEREDHostDopant一些公司發(fā)表的主發(fā)光體(Host)或客發(fā)光體(Dopant)紅光材料DCJTB摻雜Alq3元件的EL光譜含D-A構(gòu)型的非摻雜型紅光熒光材料多環(huán)芳香族非摻雜型紅光熒光材料綠光材料不同電流密度下C-545T和C-545P的發(fā)光效率比較喹丫啶酮類綠光摻雜物多環(huán)芳烴類綠光摻雜物藍(lán)光材料TBPSF結(jié)構(gòu)與分子空間構(gòu)型ADN和TBP的元件壽命檢測(cè)圖Canon公司發(fā)表的藍(lán)光主發(fā)光體與摻雜物的結(jié)構(gòu)黃光材料黃光摻