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物理学博士论文开题报告

2017-07-24 09:22 本文地址:http://www.qwqk.net/news4558.html 人气:1131

论文题目:有机半导体界面稳定性及光电耦合对界面浸润性的调控

  一、选题背景

  如今,随着通讯技术的空前发展,人们步入了信息时代,而有机半导体器件以其性能优良、成本低廉、取材广泛、体积轻巧等显著特点^正在成为信息时代中越来越受瞩目的焦点,因此,有机半导体材料及其在信息领域的应用也成为近年来迅速发展的研究方向。随着科技、生产力发展水平的日新月异,新型有机半导体材料的不断出现,极大地丰富了人们的视野,也引发了相关有机半导体器件的研究热潮,目前备受广泛关注的有机半导体器件包括:有机薄膜晶体管(organicthin,filmtransistors,OTFTs)有机电致发光器件(organiclight-emittingdiodes,OLEDs)有机太阳能电池和有机存储取绝益寺。

  研究有机半导体最早是在1954年,日本科学家赤松、井口等人发现掺a的芳香族碳水化合物的薄膜中能产生电流,导电率为O.lS/cm,于是首次提出了有机半导体这一概念,从此开辟了有机半导体材料及其器件的研究领域。但是由于材料的迁移率最初很低,使其实用化几乎是不可能的。因此,一直没有得到足够的重视,最近十年人们重新开始关注它这一新的研究热点,最初是用存机小分子作为功能层的场效应器件和电致发光器件,并取得了令人激动的结果,引起了学术界的关注,同时也激发了工业界的兴趣,因此投入大量资金。在此研究中,从有机小分子到聚合物材料,不断发现或合成新的有机半导体材料,在功能和应用方面展现了更多结果和更多可能性:工作电压变的更低,迁移率变的更高,制作方式更加灵活简单,发光器件和激光器件具有更高效率。随着新的有机半导体材料的合成,多种多样的器件构建和制备方式也不断出现目前,有机半导体材料的迁移率和开/关电压比已经达到相当高的水平,几乎接近可以选择性应用的程度。对有机半导体薄膜器件的研究世界上比较出色的实验室有:贝尔实验室(BellLaboratories,LuncentTechnologies);IBMT.J.WatsonResearchCenter(在有机半导体薄膜的生长机制和器件新工艺方面较为出色);英国剑桥大学卡文迪什实验室光电子学组(R.H.Friends领导的小组在有机半导体器件性能研究和新工艺方面有很多出色的工作);美国宾州大学电子工程系薄膜器件中心(T.N.Jacksoii领导的该组在器件性能提高方面较为出色,有机半导体器件中场效应迁移率最高的数值就是由他们报道的。

  然而,在有机半导体器件中,以有机半导体薄膜为主体的有机功能层是重要的组成部分。在加工工艺上,有机半导体薄腹具有一些特点,是无机薄膜所不具备的。无机薄膜通常采用化学气相沉积、溶胶-凝胶、溅射和电化学等方法制备,而有机薄膜除了上述制备方法外,还有真空蒸镀法、旋涂、啧墨打印、有机蒸汽喷印、有机气相沉积、丝网印刷等方法。现有的制备有机薄膜的工艺较多,不同方法制备的薄膜质量不同,直接影响着器件的效率,制备方法的选择也会影响产品的制备成本。一般为保证产品的质量,根据不同材料的性质选择不同的制备方法。目前,有机半导体薄膜被应用到有机太阳能电池中,并且已成为研究的热点。未来有机太阳能电池应用中将面临的三大挑战是:转换效率的提高,大规模生产以及稳定性。对于转换效率问题,这显而易见并早已吸引大家的广泛关注,然而有机半导体的物理与化学稳定性却从另一个方面也影响着转换效率,甚至直接构成其工业应用的制约问题。稳定性和均匀性是利用喷墨打印技术制备有机薄膜遇到的主要问题之一,必然与有机太阳能电池的工作稳定性和使用寿命相关,有必要对有机半导体膜的均勻性和稳定性的影响因素以及成膜机制做基础研究,将有助于提高有机太阳能电池的工作稳定性和使用寿命。表面浸润性,同时从物理和化学两方面,是一种既可以反映有机膜界面物理变化又能关联表面能(成分)变化的方法,是值得探索成为一种有效方法来研究有机膜的稳定性与均匀性问题。

  二、研究目的和意义

  通过对有机半导体薄膜特性和应用的了解,我们可以看出这种材料性能卓越,具有独特的优势,己经在很多方面显示出巨大的潜在应用价值。对于有机半导体器件的研究,从兴起到现在虽然时间较短,但已经取得了巨大的成果,它的诸多优点使它在未来的平板显示领域内,以及太阳能电池领域具备了无限的发展潜能。从目前的发展趋势来看,拥有轻薄、便携甚至可折叠显示屏的电子产品在不久的将来就会成为现实。

  有机太阳能膜相对于比较成熟的桂材料太阳能器件的一个主要挑战性是其稳定性问题,然而有机膜较低的转换效率当前已经备受关注,其稳定性问题却没有得到相匹配的重视。本论文在有机半导体膜的界面中独到地引入光浸润性(Opto-wetting)概念,采用一种全新方法,即通过有机膜界面的物理化学特性与光相互作用下对其浸润性的影响,从而评估有机膜界面均勻性、稳定性,并探讨其界面能、浸润性及光电親合的物理机制,此外,由于有机半导体薄膜的表面浸润性在防腐、防静电涂层、导电性织物及生物方面的潜在应用,使得对有机半导体薄膜的浸润性的研究也成为热点,尤其是通过某些方法对其浸润性进行调控,得到所期望的结果。

  三、本文研究涉及的主要理论

  有机半导体(Organicsemiconductor)是具有半导体性质的有机材料,即导电能力介于有机导体和有机绝缘体之间,具有热激活电导率,且电导率在规定范围内。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。有机物类包括芳烃、染料、金属有机化合物,如紫精、若丹明B、酞菁、孔雀石绿等。聚合物类包括主链为饱和类聚合物和共辆型聚合物,如聚苯、聚乙稀昨挫、聚乙炔、聚苯硫醚等。对于有机半导体而言,一般来说,n型半导体具有高的电子亲和势,即容易得到电子,电子能在一定范围内传导,也称为电子受体(Acceptor),而p型半导体则具有低的离子化势能,即较容易失去电子,留下空穴,空穴能在该材料中传导,也叫做电子给体(Donor)。有机半导体在许多方面不同于无机,包括光学,电子,化学和结构特性。为了设计和模拟有机半导体,需要吸光质或光致发光这些光学性质的特点[15],可以透过紫外-可见光的分光光度计和光致发光谱分光光度计来描述这一类物质的光学特性。半导体膜的表面形貌和形态,可以用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)来研究,游离能这样的电子特性,可以用紫外光电子能谱学(UPS)来探测。

  与无机半导体相比,具有如下的优点:(1)柔性,可大面积制备,可应用于软屏幕。(2)制备简便,无需高真空、高温等制备条件。(3)分子结构多样易变,可便于材料的合成和设计。(4)光电一体,制备的器件可以导电、透明、发光。(5)可做成分子器件,在超大规模集成电路中,可做成单个有机分子或单元器件,甚至更小,可达到纳米的量级。由于这些优点,使得由有机材料制备的薄膜也有了应用的优势,如在集成电路、显示元件等,尤其被应用到太阳能电池活性层中,使得与晶娃太阳能电池相比,有机半导体薄膜太阳能电池具有如下优点(1)原料来源的渠道广泛,化学可变性大;(2)改变和提高材料光谱吸收能力、提高载流子的传送能力和扩展光谱吸收范围的途径有多种;(3)加工容易,可大面积成膜,可采用旋转法等多种方法成膜;(4)易于进行物理改性,如辖照处理或高能离子注入掺杂,以提高载流子的传导能力,减小电阻损耗,提高短路电流;(5)电池制作形式多样;(6)价格较低,合成工艺比较简单,因而成本低廉。然而,它也存在着一些缺点:器件的寿命、稳定性等还有待于进一步研究和提高;应用领域也有待于进一步扩大。

  四、本文研究的主要内容

  本论文的主要工作和研究内容包括以下几个方面:

  (1)对有机物被溶解到有机溶剂的过程中涉及到的几种有机溶剂进行了研究。分别研究了甲苯、氯仿和邻二氯苯对PCBM溶解性的影响,确立PCBM与有机溶剂的依赖关系,以便我们在以后的实验中将要采用哪种试剂。

  (2)对含有P3HT和PCBM两种高分子有机物的液滴在ITO固体基底上蒸发沉积空间均匀性及对溶液浓度依赖性、空间限域性进行研究。由于釆用喷涂、旋涂等方法制备有机半导体薄膜的过程中,核心的过程是把有机半导体溶液微液滴连续、高速附着在固体基底上,并蒸发成膜。研究不同有机半导体溶液浓度的小液滴在固体基底上缓慢蒸发所沉积的图案与沉积物空间分布的影响,基于经典的“咖啡圈”效应(coffee-ring),蒸发液滴液-气界面空间曲率与蒸发速率锅合造成的蒸发不均勻,从而使得有机半导体分子链在三相接触线(Gas-Liquid-Solid)出严重钉扎现象,造成了有机半导体沉积层的严重不均勻性,成为威胁薄膜空间均一性的最重要因素。建立沉积图案与浓度和体积大小之间的依赖关系,重点还关注溶液浓度影响对后期蒸发动力学过程调控,即液滴整体形貌的失稳现象。

  (3)对由IT0/P3HT:PCBM组成的混合膜在UV光照下,非平衡载流子产生与复合过程中对其界面浸润性进行研究。不同光照时间下共混膜的表面物理形貌变化与化学变化,能够直接通过水滴在膜界面上的接触角来直观表征。讨论载流子寿命与水滴蒸发过程中水分子扩散的特征时间定量对比,确立P3HT/PCBM界面上载流子寿命时间与水分子扩散特征时间,通过接触角变化,阐明载流子浓度、共混膜厚度与水分子扩散间的竞争机制。

  (4)为实现上述对界面浸润性调控,构建了ITO/ZnO/P3HT有机-无机复合界面结构,研究界面的浸润性在光电转换过程中的变化。首先通过水热法制备均勾的ZnO纳米线阵列,接着旋涂法构建了ITO/ZnO/P3HT复合薄膜结构。对其进行不同时间的UV光照,利用接触角测试方法来研究薄膜表面浸润性是否改变,通过AFM和XPS从物理和化学方面分析浸润性改变的原因。


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