论文摘要
有机电子学是近年诞生的一门新兴的交叉学科,它体现了高分子化学与材料、电子等学科的结合,并逐渐形成一个新兴的行业——有机电子产业,相关的材料和器件的应用研究得到了日新月异的发展。本文从有机材料的结构出发,研究了有机材料中载流子的种类和产生机理,电子与空穴注入、传输、复合的规律以及离子的传输规律。建立了载流子传输的理论模型,推导出了电子、空穴以及离子导电的规律,经实验验证与理论模型符合的很好。此外,本文还研制了表征有机材料电导率、阴极材料与有机半导体材料稳定性的相关检测设备,研究了相应的实验方法,获得了国家发明专利授权;研制了红光、绿光、蓝光、白光等OLED/PLED器件。按导电性有机材料可以分为有机导体、超导体、有机半导体和有机绝缘体等。目前人们已制成导电性和银、铜相当的聚合物,称为有机金属。这些导电有机高分子聚合物,由于密度低、重量轻、成本低及易于加工等特点,在电子信息技术领域内有着广泛的用途。可用于制造太阳能电池、轻质电线、高分子电池、电磁屏蔽材料、抗静电材料,还可用作为躲避雷达的吸收微波隐形涂料和各种传感器的材料等。此外,有机半导体也有重要用途。有机电致发光是一种全新产生光辐射的方法,它将厚度约100纳米的几种有机半导体材料蒸镀在阳极和阴极之间,外加适当的电压时就会产生光辐射。有机电致发光显示技术与第一代阴极射线管显示器和第二代液晶显示器和等离子体显示器相比有众多优点,这包括:显示器柔软可卷曲、超薄重量极轻、可视角大、亮度强、分辨率高、无辐射和显示器面积可无限大等。同时,它作为自发光元器件,不需要背光源,能耗低、色彩饱和度高,响应时间比液晶显示快1000倍以上,被公认是取代CRT、LCD和PDP的第三代显示技术。研究发现电子导电聚合物类有机导体的载流子为自由电子;有机半导体的载流子为电子或空穴。有些聚合物高分子,例如皮革等,虽然内部没有自由电子或空穴,但却含有阴离子和阳离子,成为离子导电聚合物。通过研究Al阴极厚度、引入LiF势垒层、利用Ca:Al、Mg:Ag合金阴极等因素对电子注入能力的影响发现:阴极的注入效果与其膜厚有关,制作有机电致发光器件时应优化阴极的厚度;采用合金阴极或增加势垒层可以在不改变器件光谱特性的前提下有效提高阴极对电子的注入能力。通过对在阳极/空穴传输层之间引入空穴注入层的相关研究发现:空穴注入层能减少阳极和空穴传输层之间的能级势垒,降低器件的起亮电压,提高发光效率。由载流子的跃迁导电模型出发,从理论上得到了有机材料的导电规律。从实验上研究了多种皮革的导电特性,研究发现:在室温、1大气压、相对湿度60%条件下,皮革材料的电流与电压呈线性关系;在电压较低时,皮革材料的电导率为常数,不随外加电场的变化而变化;温度、湿度、压力对于离子导电有机材料的电导率都有影响;皮革材料电导率与压强呈直线关系,可以用来描述皮革材料的弹性形变特征;温度越高,载流子能量越高,载流子跨越势垒更容易,其电导率就越大;含水率对电导率影响也较大,含水率越高,皮革材料的电导率越大,以上实验结果与理论完全相符。通过研究传输层对器件性能的影响发现,在有机电致发光器件中引入电子、空穴传输特性好的材料有利于改善器件特性;但阻抗与时间关系的测试表明,在通常条件下这些材料在空气中很不稳定,非常容易吸水和氧化,使器件失效。在有机半导体发光层中,电子与空穴相互作用,可以形成高能激子,激子退激时电子从有机半导体的HOMO向LUMO跃迁与空穴复合,产生光辐射。分别研究了Alq3、Alq3:DMQA、Alq3:DCJTB:rubrene为发光层的器件发现:在非掺杂的有机半导体发光层中电子与空穴的复合为直接复合;当主体有机半导体掺杂客体染料后,电子与空穴也同样会在染料中形成激子,激子退激时,它们同样发生直接复合。当掺杂浓度较低时,随着染料分子浓度的增加,其激子的比例也会增加,器件的发光的峰值波长会发生红移,峰值波长的强度则同时增加;但是掺杂浓度太大时,器件的性能反而下降。分别研究了以MEH-PPV、PVK、MEH-PPV:PVK为发光层时PLED器件的发光特性,研究发现:混合发光层器件的光谱特征不符合简单的相加关系。MEH-PPV的电致发光光谱在波长500～540nm范围时其亮度很低,可以忽略不计;PVK的电致发光光谱在波长500～540nm范围时谱线亮度虽然较高,但是其变化趋势是随着光线波长的增加光谱亮度在减弱;而MEH-PPV:PVK电致发光的光谱在该区域的强度却随着波长的增加在迅速增加,并且峰值波长的位置也发生了明显的改变。这个事实说明:虽然发光层中电子与空穴的直接复合占主要因素,但也存在其它形式的复合形式。分别研究了Al阴极和外表镀有Se膜的Al阴极的阻抗与时间关系发现:通常条件下,注入电子的阴极很不稳定,在短短30秒内其电学特性就发生了很大变化;通过高真空条件下在阴极上蒸镀一层薄膜封装层的方法可以有效地保护Al阴极和功能层材料。通过高真空条件下对器件引入Se、Sb、Te等薄膜封装层的研究发现:薄膜封装层的引入,不仅不影响器件的发光性能,而且可以显著地提高器件的寿命,Te薄膜封装层可以使器件的寿命延长2倍以上。虽然有机电子学还存在很多问题,但丰富多彩的有机材料为其应用提供了广阔的天地。目前,在有机导电材料的研究方面,美国、英国、日本等国居于世界领先地位,并取得了很多重要成果。在21世纪,科技创新将是推动知识经济时代向前发展的主要动力之一,而基础研究是重大科技创新的温床,2000年,美国著名的《科学》杂志将有机电子学取得的进展列为十大科技成果之一。有机材料正向高速发展的电子信息领域扩展,以适应信息时代的需要。目前电磁污染成了威胁人类生存的第四大公害,静电现象也在多个方面困扰着人们的生活,实用电磁波屏蔽材料、防静电材料的研究与开发已经变得非常迫切。随着能源问题、环境危机的加深,人们对于有机电致发光显示器、有机照明器件、有机太阳能电池的产业化也更加渴望。考虑到有机材料的具体特点,它们定能在电子信息领域为人类做出新的贡献,一个新的时代——有机电子时代必将到来。
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标签：电子注入论文; 载流子传输论文; 电子与空穴复合论文; 离子导电有机材料论文;