光电增益材料—苝四酸二酰亚胺的研究

论文摘要

有机光电导材料已经成为信息社会不可或缺的高技术材料之一。随着信息与科学技术的高速发展,有机半导体光电器件由于其诱人的应用前景和巨大的市场正日益引起人们的广泛关注和研究兴趣,各国都投入大量人力、物力进行研究,并取得了一定的成果。本论文主要研究苝四酸二酰亚胺类材料的光电增益效应。根据苝四酸二酰亚胺的结构特点-矩形平面结构,考虑相邻苝四酸二酰亚胺平面的π键相互作用和分子轨道的重叠尽量重叠,最终确定苝四酸二酰亚胺的两端氮原子相连基团为甲基,即合成的光电增益材料为对称的N,N’-二甲基-3,4,9,10-苝四酸二酰亚胺。材料的合成以3,4,9,10-苝四甲酸二酐为原料,与一甲胺通过亲电取代反应制备。材料的纯度对苝四酸二酰亚胺的光电导性能影响很大,采用沸腾硝基苯的提纯方法,取得较好的结果。通过红外光谱和元素分析等方法检测,提纯后的产物的纯度很高。制备了单层夹心式器件ITO/DiMe-PTCDI/Au,通过紫外可见光吸收光谱的测定,确定两点:苝四酸二酰亚胺在可见区（450～600nm）具有宽且强的吸收带;单层器件的金电极对530～600nm 区间的可见光有较强反射。设计正交实验研究苝四酸二酰亚胺单层器件的制备工艺,得出苝四酸二酰亚胺的蒸镀温度是影响器件的光电导性能的主要因素以及苝四酸二酰亚胺的膜厚、透明金电极的厚度和苝四酸二酰亚胺的表面形貌等对器件的光电导性能的影响情况。在苝四酸二酰亚胺单层器件的光电导性能研究中,测试了器件的光伏安特性,并通过光电灵敏度计算电荷放大增益的方法,得到了苝四酸二酰亚胺的光电增益。在正偏压17V 时,苝四酸二酰亚胺材料电荷放大增益高达近103倍,这充分表明该材料是一种很好的光电增益材料。此外,对引起苝四酸二酰亚胺材料电荷放大增益的原因进行探索,发现苝四酸二酰亚胺的光伏安曲线很好的符合Fowler-Nordheim 公式,确定引起苝四酸二酰亚胺材料电荷放大增益的原因主要是隧道击穿效应。最后,在前面实验的基础上,从光吸收、电荷转移、苝四酸二酰亚胺/金界面和电子穿越势垒注入等方面对苝四酸二酰亚胺光电增益的全过程机理进行分析、讨论。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 有机光电材料器件的研究进展
• 1.2 课题的目的及意义
• 第二章 有机光电导材料相关概念
• 2.1 有机光电导材料
• 2.2 苝四酸二酰亚胺的合成原理
• 2.3 光电特性的影响因素
• 2.3.1 材料纯度
• 2.3.2 材料结构
• 2.3.3 取代基效应
• 2.3.4 制备因素
• 2.4 基础理论
• 2.4.1 能带
• 2.4.2 分子基态和激发态
• 2.5 有机光电导材料的光吸收
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 本征吸收的基本原理
• 2.6 有机光电导材料中的电荷转移
• 2.6.1 电荷转移的基本理论与概念
• 2.6.2 电子转移理论基础
• 2.6.3 光致电子转移
• 2.7 光电相关概念
• 2.7.1 光电流
• 2.7.2 光电增益
• 2.7.3 光电灵敏度法测电荷放大增益
• 第三章 实验
• 3.1 光电材料选择
• 3.2 苝四酸二酰亚胺的合成
• 3.2.1 合成
• 3.2.2 合成工艺研究
• 3.3 苝四酸二酰亚胺器件的制备
• 3.3.1 蒸镀装置准备
• 3.3.2 苝四酸二酰亚胺器件的制备
• 3.3.3 器件制备工艺研究
• 3.4 实验试剂及仪器
• 第四章 实验结果与讨论
• 4.1 苝四酸二酰亚胺的合成
• 4.1.1 紫外/可见吸收光谱
• 4.1.2 红外吸收光谱
• 4.1.3 元素分析
• 4.1.4 合成工艺研究
• 4.2 单层器件的制备
• 4.2.1 紫外/可见吸收光谱
• 4.2.2 正交实验
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 性能测试
• 4.3.1 光伏安曲线
• 4.3.2 电荷放大增益
• 4.4 光电倍增的机理
• 4.4.1 光吸收过程
• 4.4.2 电荷转移
• 4.4.3 Fowler-Nordheim 效应
• 4.4.4 有机/金属界面
• 4.4.5 光电增益机理
• 第五章 结论及展望
• 致谢
• 参考文献