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聚苯撑苯并二噁唑的光电子性能及其器件研究

作　者: 张晓晋
导　师: 何志群
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学
关键词: 共轭聚合物荧光发射分子聚集态电致发光载流子传输电荷陷阱载流子迁移率光伏响应
分类号: TN383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

有机光电子技术在近些年来发展迅速,聚合物材料因其广泛的材料来源,良好的化学稳定性,优异的可加工性能,简单的器件制备流程等优势,在有机电致发光领域具有举足轻重的地位,但其在制备上难以提纯,且电荷传输性能差异过大——绝大多数为空穴传输型材料,等弱点也严重影响着器件性能的进一步提高,成为阻碍其走向实用化的最大障碍。因此,如何利用聚合物材料难提纯易掺杂的特点,通过调控载流子的注入和传输的方式提高现有器件的发光性能,始终是该领域科研工作者最关注的问题。本论文研究了一种高强度、高稳定性的刚性共轭结构的聚苯撑苯并二嗯唑(poly(p-phenylene benzobisoxazole),缩写PBO)的光物理性能、半导体性能,进而将其作为工作层,设计制备了光电子器件,并对相关器件的物理机制进行了研究,具体内容包括如下几个方面：通过稳态、瞬态光谱分析的方法,全面的考察了PBO在溶液态及固态的光物理特性,定量确定了PBO在溶液及固体状态下的消光系数；研究了PBO溶液体系是否存在聚集态的问题,得出其溶液荧光特性并不受聚集态影响的结论；进一步研究了固体样品的荧光机制,发现了存在激发态二聚体的相关证据。采用电化学循环伏安法结合吸收光谱,测定了PBO材料的分子能级结构,得到其最高被占有分子轨道能级(HOMO)为-5.8eV,最低未被占据分子轨道(LUMO)能级为-3.1eV左右；设计了单载流子器件,研究了PBO的电荷传输性能,并采用空间限制电荷电流的方法,首次报道了PBO材料的空穴迁移率约为1.0×10-6cm2/Vs,电子迁移率约2.0x10-8cm2/Vs。由此得到,PBO为空穴传输材料,而文献中推测的电子传输材料。优化了PBO成膜条件,在此基础上,以PBO为空穴传输型发光材料,制备电致发光器件,并引入“Alq3/LiF/Al”结构的复合阴极,对PBO发光器件进行了优化,大幅度的提高了器件的性能,使得器件的最高亮度8.7x103cd/m2,最高效率4.8cd/A,超过此前文献报道水平。本研究也表明,PBO作为一种鲜有报道的且稳定性极强的绿色荧光材料,在电致发光领域具有较好的开发前景。在PBO掺杂体系的光电子性能研究中发现：将少量酞菁铜(CuPc)掺入PBO本体中,可以大大提高基于PBO为发光材料的电致发光器件的亮度和效率。以该体系优化的电致发光器件最高亮度达到3.4x104cd/m2,电流效率达到10.9cd/A,外量子效率3.2%,且色纯度有所提高,器件整体性能达到了聚合物电致发光器件的较高水平。研究进一步证明了：少量的CuPc的掺入PBO体系中,薄膜的电流电压特性出现了明显的陷阱特征,CuPc起到了空穴陷阱的作用,可降低漏电,平衡载流子的传输,此时器件性能提升。这种陷阱诱导的本体PBO材料的电致发光增强效应,在该研究领域尚未见报道。该发现可为简单结构的聚合物电致发光器件的制备与优化提供了新思路。初步考察了PBO材料的光-电转化特性。研究了单层光伏器件的激子解离机理,证实单层器件的激子解离与“半导体／金属”界面有关,而非文献中认为的异质结机制；另一项实验发现,PBO/C60双层异质结器件中激子发生部分解离,并与复合发光形成了竞争。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
第一章绪论  14-46
  1.1 引言  14
  1.2 有机聚合物半导体的基本概念  14-20
    1.2.1 共轭聚合物的分子结构及分子能级  14-16
    1.2.2 共轭聚合物的电荷传输理论  16-20
  1.3 有机材料的光物理过程  20-25
    1.3.1 有机分子的光吸收和光发射  20-22
    1.3.2 分子聚集态对有机材料溶液样品光物理特性的影响  22-24
    1.3.3 二聚体对有机材料固体样品光物理特性的影响  24-25
    1.3.4 有机电致发光体系中的猝灭机制  25
  1.4 有机半导体器件简介  25-26
    1.4.1 有机发光二极管  26
    1.4.2 有机光伏器件  26
    1.4.3 有机场效应晶体管  26
  1.5 有机/聚合物电致发光器件  26-36
    1.5.1 有机电致发光领域的研究现状  28-30
    1.5.2 有机电致发光器件的结构  30-31
    1.5.3 各种功能材料  31-36
  1.6 本文的选题意义和研究主旨  36-41
    1.6.1 有机电致发光领域目前存在的问题  36-37
    1.6.2 聚苯撑苯并二噁唑概述  37-39
    1.6.3 选题意义  39
    1.6.4 内容安排  39-41
  参考文献  41-46
第二章实验  46-68
  2.1 实验测试原理及方法  46-57
    2.1.1 吸收光谱测量原理及方法  46-48
    2.1.2 荧光光谱测试原理及方法  48-50
    2.1.3 瞬态光谱测量原理及方法  50-52
    2.1.4 分子能级测量原理及方法  52-54
    2.1.5 载流子迁移率测试原理及方法  54-57
  2.2 有机电致发光器件的制备方法  57-58
  2.3 有机电致发光器件的性能参数  58-62
    2.3.1 电致发射光谱  58-59
    2.3.2 色坐标及色度学  59-60
    2.3.3 亮度及光度学  60-61
    2.3.4 发光阈值电压  61
    2.3.5 发光效率  61-62
    2.3.6 器件寿命  62
    2.3.7 电流-电压特性曲线  62
    2.3.8 亮度-电压特性曲线  62
  2.4 实验设备  62-63
  2.5 实验药品及材料  63-66
    2.5.1 实验用到的药品  63
    2.5.2 实验用到的溶剂  63-64
    2.5.3 电极材料  64
    2.5.4 甲烷磺酸的脱水处理  64
    2.5.5 路易斯酸的配制  64-65
    2.5.6 实验涉及的聚合物薄膜样品的湿法制备  65-66
  参考文献  66-68
第三章聚对苯撑苯并二噁唑的光物理特性研究  68-78
  3.1 研究背景  68
  3.2 聚对苯撑苯并二噁唑溶液态下的光物理性质  68-73
    3.2.1 溶液样品的基本光物理性质  68-69
    3.2.2 浓度变化对溶液样品光物理性质的影响  69-72
    3.2.3 关于溶液样品中是否存在分子聚集态的探讨  72-73
  3.3 聚对苯撑苯并二噁唑固态簿膜的光物理特性研究  73-76
    3.3.1 薄膜样品的基本光物理性质  73-74
    3.3.2 薄膜样品的发光机理研究  74-76
  3.4 本章小结  76-77
  参考文献  77-78
第四章聚对苯撑苯并二噁唑的半导体特性及电致发光器件研究  78-92
  4.1 研究背景  78
  4.2 聚对苯撑苯并二噁唑的分子能级测量  78-79
  4.3 不同溶剂体系对湿法成膜质量的影响  79-80
  4.4 空间电荷电流法测量材料的载流子迁移率  80-84
    4.4.1 空穴迁移率测量  81-82
    4.4.2 电子迁移率测量  82-84
  4.5 基于聚对苯撑苯并二噁唑的电致发光器件  84-89
    4.5.1 基于不同溶剂体系的单层器件  84-86
    4.5.2 采用复合阴极结构的电致发光器件  86-89
  4.6 本章小结  89-91
  参考文献  91-92
第五章陷阱诱导聚苯撑苯并二噁唑电致发光增强现象的研究  92-104
  5.1 研究背景  92-93
  5.2 聚对苯撑苯并二噁唑与酞菁铜混合薄膜的光物理性质  93-96
  5.3 基于混合薄膜的电致发光器件  96-98
  5.4 陷阱诱导主体材料电致发光增强现象的机理探讨  98-101
  5.5 本章小结  101-102
  参考文献  102-104
第六章聚对苯撑苯并二噁唑的光-电转换机制初探  104-116
  6.1 研究背景  104
  6.2 有机/聚合物光伏效应及器件  104-107
    6.2.1 有机光伏器件工作原理  104-105
    6.2.2 异质结光伏器件  105-106
    6.2.3 肖特基型光伏器件  106-107
    6.2.4 有机光伏器件的主要性能参数  107
  6.3 聚对苯撑苯并二噁唑单层薄膜器件的光伏响应及激子解离机制探讨  107-110
  6.4 基于聚对苯撑苯并二噁唑与富勒烯的双层异质结光伏器件及其激基复合物电致发光  110-114
    6.4.1 器件的光伏响应  111-112
    6.4.2 器件的激基复合物电致发光  112-114
  6.5 本章小结  114-115
  参考文献  115-116
第七章结论  116-118
附录A  118-122
作者简历  122-126
学位论文数据集  126

聚苯撑苯并二噁唑的光电子性能及其器件研究

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