高迁移率聚合物半导体材料

作为有机场效应晶体管的重要组成部分,有机半导体材料对器件性能有着重要的影响.相对于小分子半导体材料而言,聚合物半导体材料因其具有更容易溶液加工、适用于室温制备等优势,得到了研究者的广泛关注和研究.从20世纪70年代至今,聚合物半导体材料及其光电器件均得到了突飞猛进的发展.经过研究者们的不断探索创新,各种结构新颖的聚合物半导体材料层出不穷,器件制备工艺也不断优化改进,使得聚合物场效应晶体管的载流子迁移率从早期的10–5 cm2 V–1 s–1提升到了如今的36.3 cm2 V–1 s–1,在聚合物场效应材料分子结构的设计合成方面积累了丰富的经验,同时其内在电荷传输机理也随着材料和器件性能的提高不断明朗.本文以分子结构作为切入点,分别从p型、n型及双极性3种载流子传输类型方面对近5年报道的高迁移率聚合物半导体材料进行了系统的总结与归纳,同时还简要分析了聚合物半导体材料中的电荷传输机制及优化方法,希望对研究者进一步设计和合成更高性能的聚合物半导体材料及器件构筑起到一定的指导作用.     

柔性全有机薄膜场效应晶体管的制备和性能

在聚乙烯基对苯二酸酯基片上依次制备氧化铟锡电极、聚甲基丙烯酸甲酯绝缘层、并五苯半导体层和金电极, 得到了柔性全有机薄膜场效应晶体管, 器件的载流子迁移率为2.10×10^-2 cm²·(V·s)^-1, 开关电流比超过10⁵. 同时研究了柔性全有机薄膜场效应晶体管在不同曲率半径下的性能.     

有机半导体异质结电荷产生层及其在叠层有机发光二极管中的应用

叠层有机发光二极管因其具有更高的亮度、效率以及稳定性, 其研究备受关注.本文综述了叠层有机发光二极管的最新进展; 总结了作者研究小组基于有机半导体异质结的概念, 设计了由一种p 型有机半导体和一种n 型有机半导体层层组成的双层有机半导体异质结电荷产生层, 并用它们作为连接单元制备了叠层有机发光二极管, 器件的电压得到了降低, 功率效率得到了提高. 通过对电荷产生层的工作机制的深入剖析, 揭示了降低电压、提高功率效率的内在物理原因, 为进一步设计高性能有机电致发光器件提供了新的思路; 最后对叠层有机发光二极管的未来发展方向进行了展望.     

有机单晶电致发光器件研究进展

有机单晶半导体材料由于分子排列有序、高稳定性和高载流子迁移率等优点,成为一类具有应用潜力的光电子材料,在光电器件领域获得了广泛的应用.特别是其弥补了无定形态有机薄膜在热稳定性和载流子迁移率等方面的不足,有机单晶在有机电致发光器件(OLED)方面展现了潜在的应用前景.有机单晶OLED器件从最初的点发光到成功实现了面发光,器件性能不断提升.本文聚焦有机单晶OLED,系统总结了材料和器件制备工艺以及器件性能优化等方面的研究进展,同时讨论了有机单晶OLED性能进一步提升所面临的瓶颈难题和可行的解决方案.     

多功能聚集诱导发光OLED材料研究进展

重点介绍了以具有聚集诱导发光(AIE)特性的噻咯和四苯基乙烯为基本结构单元,通过引入电子传输基团或空穴传输基团构筑的一系列新型具有多功能性的有机发光二极管(OLED)材料.由于AIE结构基元的存在,这些分子能够表现出优异的固态发光效率,同时,载流子传输基团的引入使得材料的载流子传输能力大大提高.这些材料不仅能够作为电致发光层使用,也能同时作为电致发光层和载流子传输层使用,在OLED器件中能够表现出多功能的特性.利用这些材料制备的双层非掺杂OLED器件的外量子效率最高可达理论峰值,表明它们在保证OLED器件高效率的同时能够大大简化器件的结构,为降低器件生产成本提供了新途径.     

有机单晶掺杂机制及其电致发光器件应用新突破

正掺杂技术作为半导体工业中的一项关键技术,被广泛用于调控半导体材料的光学和电学性质,从而深刻影响半导体微电子与光电子器件的性能~([1～4]).尤其在有机半导体光电子领域,非晶态有机半导体薄膜的"光学"和"电学"掺杂,已经成为提高器件光电和电光转换效率的重要技术     

有机场效应晶体管导电机制及其稳定性研究

并五苯薄膜和单晶晶体管研究是目前有机电子学研究领域的热点.本文通过实验和理论模型系统研究了并五苯有机小分子薄膜的初始生长层形貌结构对有机薄膜晶体管器件电学性能的影响.提出单层薄膜二维晶粒边界模型,揭示了初始生长层晶粒大小对晶体管器件载流子迁移率及栅极偏压下阈值电压移动量的影响.同时,通过理论拟合计算得出有机晶体管器件结构在现有实验条件中的一些重要参数,如晶粒单畴中的迁移率、晶粒边界中缺陷浓度和缺陷势垒高度等.这些知识加深了对薄膜结构与器件性能之间关联的理解,为进一步改善并五苯薄膜晶体管器件性能提出明确的方向.此外,本文还提出一种新的并五苯单晶生长方法,即从并五苯单层膜在惰性常压气氛中熟化开始,通过两步法生长出高质量大尺寸的并五苯单晶.我们系统探讨了并五苯单层膜向单晶转变时的分子热力学、动力学过程,为后续单晶体器件的研究奠定了基础.     

有机平面pn异质结发光二极管材料与器件

有机发光二极管(OLED)在新型显示和固态照明等领域有着广泛的应用潜力,在可穿戴设备、手机、电视等显示产品上已经实现了较大规模的商业化应用,未来预计在柔性显示领域将具有更为突出的应用前景.为进一步降低OLED材料与器件的制备成本,近些年来,大量的研究聚焦于开发不含有稀有金属、兼具低成本和高性能优势的OLED材料与器件.本文综述了基于纯有机半导体材料、利用层间电荷转移来构筑OLED的研究进展,着重讨论了有机平面pn异质结发光二极管(pn-OLED)概念的提出,以及相应的有机半导体材料与器件等方面的进展,并对该类型器件目前发展中遇到的问题,以及将来在发光晶体管、电泵浦激光器等领域潜在的应用进行了讨论.     

有机薄膜场效应晶体管的研制

采用聚四氟乙烯充当绝缘材料,利用全蒸镀法制备得到了有机薄膜场效应晶体管.源极和漏极采用氧化铟锡,半导体层和绝缘层分别由铜酞菁和聚四氟乙烯充当,栅极采用银电极.在利用光刻制备沟道长度为50μm的源极和漏极后,依次真空沉积铜酞菁层、聚四氟乙烯层和银层,得到器件的电子迁移率为1.1×10~(-6)cm~2·（V·s）~(-1),开关电流比大于500.     

介电/半导体复合薄膜生长控制

当前, 电子信息系统为了实现体积更小、速度更快和功耗更低, 正快速向微小型化以及单片集成方向发展, 其中的各种有源器件(主要为半导体材料支撑)和无源器件(主要为功能材料支撑)的集成尤为重要和迫切. 因此, 将具有电、磁、声、光、热等功能特性的介质材料(以极化为特征)与具有电子输运特性的半导体材料, 通过固态薄膜的形式生长在一起, 形成介电/半导体复合人工新材料, 这种复合薄膜将具有多功能一体化和介电-半导体异质层间电磁性能的调制耦合两大特点, 这些特征既为实现信息的探测、处理、传输、执行和存储等5种主要功能单元的单片集成提供了可能,又将长期以来人们追求单一材料的物理极限的研究转移到追求异质结构的复合效应中来, 这为研制更高性能的电子器件提出了新的思路. 结合当前国内外在介电和半导体复合薄膜生长的研究进展情况, 介绍和讨论了我们近期在氧化物介电材料与半导体GaN复合薄膜生长与界面控制方面的一些研究结果.     

有机半导体激发态的量子调控

有机半导体激发态具有多样性和独特性,这使得有机器件呈现出丰富而特有的物理现象.从根本来说,有机器件的功能过程与这些激发态的动力学演化密切相关,包括产生、弛豫、输运、复合及相互转化等.目前,多种有机器件虽已被研制成功,但其功能机制中仍有许多未解之谜,其中激发态研究是重中之重,是有机半导体物理及器件研究的重心.多年来,我们基于有机半导体激发态独特的性质、相互作用及界面过程,围绕其功能器件中的关键科学问题,通过实验和理论相结合的手段,对其内部激发态的量子效应和调控开展了多尺度的深入研究.本文将结合相关研究背景对我们在有机光伏效应和有机自旋效应两方面的一些典型工作做简要介绍.     

基于模板剥离法制备有机晶体发光二极管器件及其特性

有机晶体材料由于具有低的杂质含量、高的载流子迁移率、以及高的荧光量子效率在光电器件领域受到人们广泛的关注.但是,由于有机晶体材料具有易碎、致柔且对有机溶剂敏感等特性,导致其难于制备发光二极管器件.本文设计了一种简单且无破坏性的工艺方法,即模板剥离法,制备有机晶体发光二极管器件.基于此方法通过改善晶体与电极之间的接触,可使载流子均匀注入晶体有源层,从而获得了均匀电致发光的二极管器件.     

基于Alq3的有机电致发光器件温度特性的研究

以真空热蒸镀的方法制备了基于八羟基喹啉铝(Alq₃)为发光层的单层和双层有机电致发光器件, 测试了器件在不同温度条件下其电致发光特性的变化, 研究了器件性能的温度特性, 详细分析了温度对器件电流传导机制的影响. 结果表明, 器件的电流-电压特性与陷阱电荷限制电流理论的预测很好地符合. 此外, 由于有机层内载流子迁移率和浓度都随着温度的增加而增加, 导致Alq₃器件的电流随温度单调上升. 不同温度下Alq₃器件的电流传导机制没有改变, 但是电流-电压关系式中的幂指数m随温度无规则变化. 由于温度上升会引起Alq₃发光性能衰减, 所以器件的发光亮度随温度略有上升, 而发光效率随温度单调下降. 电致发光光谱随温度上升出现微小的蓝移, 其单色性的降低是来源于有机半导体材料本身的能级特征.     

SGDBR可调谐半导体激光器波长切换理论研究

取样光栅分布布拉格反射(SGDBR)可调谐半导体激光器是一种典型而重要的单片集成光子器件, 在宽带光通信系统和智能光网络中有着良好的应用前景. 为了分析SGDBR可调谐半导体激光器的动态特性, 本文有效地结合了行波法和传输矩阵法的优点, 建立了一个适应性广泛、运算高效的分析模型: 激光器有源区采用时域行波法, 而对结构复杂的无源光栅区则采用频域传输矩阵法, 再通过数字滤波器将其变换到时域. 利用该模型对SGDBR可调谐半导体激光器波长切换的瞬态光谱和模式竞争进行了细致研究, 并提出在不改变载流子密度的条件下, 通过增加光栅区耦合因子来提高其波长切换的性能.     

金属离子替换的有机-无机钙钛矿太阳能电池及其迟滞现象

注入金属离子替换有机-无机钙钛矿中参与成键的Pb~(2+)可以有效调控其结晶动力学、薄膜形貌和光电特性,因此,通过优化Pb~(2+)替换比例提高钙钛矿太阳能电池性能是当前的研究热点之一.但是, Pb~(2+)替换对器件异常迟滞现象的影响却缺乏深入的研究.本文采用Cd~(2+)替换的MAPbI_3为模型体系,研究了不同Cd~(2+)浓度下MAPbI_3材料性质及其平面异质结光伏器件(结构为ITO/NiO_x/Cd-MAPbI_3/PCBM/Ag)性能的变化趋势.研究结果表明,优化比例(0.5%)的Cd~(2+)可以有效增强材料结晶性、改善薄膜形貌,降低非辐射复合,提高光生载流子寿命,从而大幅提高器件性能.而Cd~(2+)替换比例过高(2.5%)时,钙钛矿薄膜中不仅会出现相分离阻碍电荷传输,而且其非辐射复合加剧,光生载流子寿命降低,最终导致器件性能下降.与此同时,过量的Cd~(2+)注入还会引起严重的迟滞现象,利用扫描开尔文探针显微镜(SKPM)证实这一现象与钙钛矿薄膜中显著的离子迁移有关.     

利用红荧烯激子能量共振分析三重态激子-电荷作用的磁电导机制

为了研究三重态激子与电荷作用(triplet-charge interaction,TCI)产生磁电导(magneto-conductance,MC)的原因,分别用Al,Li F/Al和Ca等不同功函数的金属作为阴极制作了一系列红荧烯(rubrene)型有机发光器件.在室温下Al电极器件中出现了随磁场增加单调下降的负MC.器件的电流-电压特征曲线表明,Al电极器件中空穴为多余载流子,电子注入困难易形成陷阱电荷.利用rubrene中单重态激子(singlet,S)和三重态激子(triplet,T)的能量共振改变S激子裂变(STT)和T激子聚变(TTA)来调控T激子的比率,并通过更换阴极来改变电子注入势垒高度从而调控电荷(charge,C)的浓度,最终实现对TCI的调控.调控结果表明,Al电极器件中负的MC不应该是T激子与多余空穴通过解离或者散射通道的TCI引起的,而是T与陷阱中的束缚电子通过TCI的去陷阱(T+C_t→S_0+C)通道淬灭导致的.另外,载流子注入较为平衡的Li F/Al和Ca电极器件的MC比Al电极器件的小1个量级,且随磁场的增加先减小后增大,这并非是因为平衡注入器件内的TCI弱,而是由于器件内rubrene功能层中的陷阱容易被电子占满,TCI去陷阱淬灭通道和陷阱捕获淬灭通道对电流的影响变低.因此,载流子陷阱在TCI的磁效应中具有重要地位,使有机功能层中的陷阱尽量多且不易被载流子占满是利用TCI磁效应的重要方向.     

表面态和线间距对ZnO纳米线/聚(3-己基噻吩)复合纳米结构光伏性能的影响

正基于导电聚合物的有机光伏器件具有低成本、重量轻和柔性等优点.然而,相对于无机材料而言,其载流子迁移率较低.引入高迁移率的无机材料和导电聚合物构筑复合形成混相的异质结结构可以有效解决此问题.通过此种方式,在导电聚合物中产生的激子不需要传输过长的距离到达施主/受主界面,电荷分离过程能够发生在光活性层中的有机/无机材料界面.最常用的电子受主材料是C60的衍生物以及无机纳米     

基于芳香性聚酰亚胺的光电功能材料及器件研究进展

聚酰亚胺是一类重要的高性能聚合物,具有优良的热性能、机械性能和电学性能.近年来,芳香性聚酰亚胺作为新型光电功能材料在有机太阳电池、场效应晶体管、电存储等有机光电器件中的应用价值日益凸显,引起研究者的广泛关注.本文根据芳香性聚酰亚胺的分子结构特点,从光电功能化方法和材料制备策略出发,全面归纳和总结了芳香性聚酰亚胺在光电子器件领域的研究进展,阐述了此类材料的分子结构设计与光电性质以及光电器件性能的内在关系,为今后开发新型高效芳香性聚酰亚胺光电功能材料和器件提供参考.     

有机半导体器件中的磁场效应研究进展

有机半导体器件中的磁场效应, 是指在不包含任何磁性功能层的有机半导体器件中, 其电流或发光在外加磁场作用下发生改变的现象. 由于有机半导体器件中的磁场效应具有高的灵敏度, 且其绝对值即使在室温下也较大, 因此有机半导体中的磁场效应具有重要的科学意义和实用价值, 从而引起了科研人员的广泛兴趣, 并取得了较大的研究进展. 本文较详细地介绍了该领域的研究历史、现状和已经取得的主要研究结果, 重点综述了产生该奇特磁场效应可能的物理机制, 并对其未来的发展方向进行了展望.     

钙钛矿太阳能电池的稳定性

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池的研究在近几年里获得了极大的突破.然而,电池长期的稳定性和重金属铅的毒性等问题仍未得到完全解决.本文将讨论钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素,从器件结构方面入手分析钙钛矿材料、空穴传输材料、电子传输材料以及电极对钙钛矿电池稳定性的影响,然后根据不同结构中影响电池稳定性的因素提出对应的解决方案,从而提升钙钛矿太阳能电池稳定性.最后,我们提出由n型半导体层、绝缘层和p型半导体层依次层叠构成的全无机介孔p-i-n结构框架有助于钙钛矿电池的稳定性.