有机半导体薄膜生长及其性质研究

论文摘要

OLED器件（Organic Light-emitting Devices）以其质轻、体薄、高亮度、自发光、快速响应、高分辨率、视角大、低电压驱动、低功耗、高效率、长寿命等突出优点被认为是下一代显示技术的最佳候选。但是,目前OLED器件在发光效率、工作稳定性和使用寿命等方面还存在许多问题,这限制了它们在大尺寸显示器上的进一步应用。针对OLED器件存在的问题,对有机半导体材料的界面生长机制、光致发光特性以及载流子的电输运性质进行系统地研究,将有助于我们深入地了解OLED器件的工作机理,也会为增强器件发光效率、优化器件结构和提高器件的工作稳定性提供必要的理论基础和改进依据。因此,本文利用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）、光致发光（Photoluminescence, PL）谱和阻抗谱等多种实验手段,分别对并四苯（Tetracene）、8-羟基喹啉铝（Alq3）和N,N’-二苯基-N,N’-（1-萘基）-1,1’-联苯-4,4’-二胺（NPB）这三种有机半导体材料的表面生长特性、光致发光特性和电输运特性做了深入细致地系统研究。首先,我们利用STM等方法对并四苯分子在钌（Ru）单晶的（1010）表面上的生长行为和吸附结构进行了研究。结果表明,并四苯分子平躺着吸附在Ru（1010）表面上,并且是无序分布的,但单个分子的长轴取向主要沿平行于和垂直于[1210]方向。当有机分子吸附层的覆盖度接近一个单层时,并四苯分子在表面上开始形成镶嵌图案。密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算结果表明,当并四苯的长轴取向平行于[1210]方向并吸附于最上层和第二层Ru密排原子列的中间时,吸附能为4.23 eV,该位置是并四苯分子在Ru（1010）表面上的最佳吸附位置。当分子长轴取向垂直于[1210]方向并且其质心位于密排原子列上两个Ru原子的短桥位时,该位置是它的次佳吸附位,在该位置的吸附能为4.19 eV。这些计算结果同STM中观察到的分子取向分布定性的一致。研究表明,并四苯分子在Ru（1010）表面上的生长行为主要取决于吸附物同衬底之间的相互作用,而分子一分子间的相互作用对并四苯在该表面上的生长影响很小。采用原位测量的方法,我们研究了厚度变化和加热—降温循环过程对Alq3薄膜光致发光谱的影响。结果表明,Alq3薄膜的PL强度随厚度的增加而增大,但在薄膜沉积的初始阶段,由于激子同基底的相互作用,沉积在玻璃基底上的Alq3薄膜的PL强度增长缓慢。当薄膜厚度较大时,光谱强度会以更大的增长速率随厚度的增加而增大,并逐渐趋于饱和。同时,光致发光谱的峰位在厚度变化过程中约有12 nm的红移,但这种随厚度变化而产生的红移也是不平均的。显著的红移效应发生在Alq3薄膜厚度低于100 nm时,当厚度超过100 nm后,PL峰位的红移量非常小。这种红移效应是由于薄膜厚度改变而导致的激子态从二维向三维转变所引起。Alq3薄膜随加热—降温过程变化的PL谱表明,退火到130℃时较厚薄膜的PL强度会显著提高,但当薄膜退火到150℃后,PL强度却下降,并且Alq3的发射峰会有约为9 nm的蓝移。Alq3薄膜退火到130℃后其PL强度的提高是由于退火过程降低了薄膜内陷阱的数量；而退火到150℃后出现的PL强度下降和发光谱蓝移效应则可归结为高温退火所导致的Alq3薄膜的结晶。利用J-V特性曲线和交流阻抗谱等实验手段,我们对结构为ITO/NPB/Al的单层空穴传输器件的输运性质做了详细地研究。该器件的J-V特性曲线在电压低于0.6V时,满足欧姆定律；当电压高于0.6V后,满足空间电荷限制电流（Space-Charge Limited Current,SCLC）模式。计算得到器件的热生载流子密度约为3.1×1016cm-3。阻抗谱测量表明,ITO/NPB/Al器件可以用一个RC并联电路串联接触电阻Rs的模型来描述。实验发现,在不同的偏压下,NPB的体电容C保持不变,而体电阻R却随着电压的增大而减小。通过拟合得到的电容值,我们可以知道NPB的相对介电常数约为εr=3.6。器件的导纳随频率和偏压的变化是由于载流子在NPB薄膜中渡越时间的变化所引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 有机电致发光器件的发展历程
• 1.3 有机电致发光机理
• 1.3.1 OLED的器件结构
• 1.3.2 有机发光过程
• 1.3.2.1 能级分布和电极材料的选取
• 1.3.2.2 激子发光和发光效率
• 1.3.3 载流子的注入和传输
• 1.3.3.1 注入电荷限制（ILC）
• 1.3.3.2 空间电荷限制（SCLC）
• 1.4 有机发光研究的现状和存在的主要问题
• 1.4.1 有机发光半导体的研究现状
• 1.4.2 有机发光半导体领域目前存在的主要问题
• 1.4.3 影响OLED器件寿命的几个因素
• 1.5 本论文的研究意义和主要内容
• 参考文献
• 第二章 实验方法简介
• 2.1 引言
• 2.2 扫描隧道显微镜（STM）
• 2.2.1 STM的原理及其结构
• 2.2.2 STM扫描模式
• 2.2.3 STM图像的影响因素
• 2.3 光致发光谱
• 2.3.1 光致发光的原理
• 2.3.2 光致发光的实验装置
• 2.4 阻抗谱（IS）
• 2.4.1 阻抗谱原理
• 2.4.2 阻抗谱的测量
• 参考文献
• 第三章 并四苯在Ru（1010）表面上的亚单层生长研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验和DFT计算
• 3.2.1 实验过程
• 3.2.2 计算细节的说明
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 不同覆盖度下的STM图像
• 3.3.2 吸附的精细结构
• 3.3.3 计算结果同STM实验的比较
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 8-羟基喹啉铝薄膜的光致发光谱研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PL谱随厚度的变化规律
• 4.3.2 PL谱随温度的变化规律
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 NPB电输运性质的阻抗谱研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.3.1 直流J-V特性
• 5.3.2 交流阻抗谱特性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 总结及展望
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢