有机光电材料与器件

1、有机光电材料与器件有机光电材料与器件 张小文，张小文，张坚张坚* *桂林电子科技大学材料科学与工程学院，桂林电子科技大学材料科学与工程学院，广西信息材料重点实验室，中国广西桂林广西信息材料重点实验室，中国广西桂林* 2015. 06. 27 本课程是一门专业基础课，主要讲授：有机光电材料的物理特性、主要有机光电元器件以及相关的应用介绍。掌握：有机光电材料的基础知识与应用，常用有机光电器件的工作原理。l 有机光电材料的研究范围和发展动态；l 有机光电信息技术物理基础；l 有机电-光信息转换材料与器件；l 有机光-电信息转换材料与器件；l 有机光电信息技术应用；课程性质与主要内容课程性质与主要内容

2、目目 录录 绪论绪论 有机光电材料与器件有机光电材料与器件 研究团队与研究进展研究团队与研究进展 总结总结 光电材料：指用于制造各种光电器件（主要包括各种主、被动光电传感器、光信息处理、信息存储和光通信等器件）的材料。 光电材料：具有信息产生、传输、转换、检测、存储、调制、处理和显示等功能。 光电材料：主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等。 光电材料不仅是现代信息社会的支柱，也是信息技术革命的先导。 光电材料的研究是当代科学的前沿，具有多学科交叉的特点，是一个极富创新和挑战的领域。基本概念基本概念光电材料主要包括：l 半导体光电材料：Si, GaAs, InP, GaN, l

3、 有机半导体光电材料；l 无机晶体和石英玻璃； 广泛用于光通信网络、光电显示、光电存储、光电转换和光电探测等领域。 5光电材料光电材料 vs 半导体材料半导体材料光电材料光电材料 光电材料 光电器件光电器件主要应用领域：光电显示 光通信光存储光电传感系统光电器件和光电产业光电器件和光电产业由光电材料制成的光电器件和产品正逐渐应用于信息产业的每一个重要环节，从信息的获取、处理、传输到信息的存储和显示，信息产业对信息相关产品的高速、大容量、高清晰、超薄和超轻的不断要求，推动光电产业的持续高速发展，光电新产品和新技术不断涌现。 在光电显示领域，以液晶显示(LCD)为主流的平面显示器件产品占据主要显示

4、市场，已渗透到显示器件的每一个领域。 GaN基蓝光发光二极管（LED）的研制成功和商用器件的面世，为LED产品的全彩显示和白光照明提供了可能，并在世界范围内掀起了一场蓝光热。 光电器件和光电产业光电器件和光电产业- -典型实例典型实例1 1 半导体激光器的成功开发，使CD-ROM、VCD和DVD为代表的数字光盘成为当今多媒体信息时代不可缺少的存储技术之一，已广泛应用于计算机存储、数字家电、广播电视、车载导航和电子出版等领域。光电器件和光电产业光电器件和光电产业- -典型实例典型实例2 2光电材料与器件基础光电材料与器件基础能带理论能带理论解释固体的导电本质：满带不导电，不满解释固体的导电本质：

5、满带不导电，不满带才导电带才导电11 本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体本征半导体Ec Ev 半导体半导体禁带宽度禁带宽度Eg=Ec-Ev，其中，其中Ec和和Ev分别分别为导带为导带(conduction band)底和价带底和价带(valance band)顶对应的能量顶对应的能量本征载流子浓度本征载流子浓度光电材料与器件基础光电材料与器件基础12杂质半导体杂质半导体 1n型半导体型半导体 2p型半导体型半导体 空穴空穴硼原子硼原子444434444磷原子磷原子自由电子自由电子444454444EVLEVECEF WsEgEVLEVECEF WsEgEVL:

6、真空能级真空能级EF: 费米能级费米能级EC: 导带导带EV: 价带价带Eg: 禁带宽度禁带宽度 bandgapWs:功函功函 work function :电子亲和能，电子亲和能，真空的自由电真空的自由电子能级与导带底能级之间的能子能级与导带底能级之间的能量差量差 I: 电子电离势，电子从半导体电子电离势，电子从半导体价带逸出所需的最小能量价带逸出所需的最小能量光电材料与器件基础光电材料与器件基础13 p-n结结 p区区 n区区 p区区 n区区 空 间 电 荷空 间 电 荷区区内电场内电场光电材料与器件基础光电材料与器件基础14VJ0+_ q(VD-V)qVD非平衡载流子的电注入pnpnpn

7、 p-n结具有单向导电性结具有单向导电性，在电路中可，在电路中可以起到整流作用。以起到整流作用。 当当p-n结正向连接时，外电结正向连接时，外电场方向与场方向与p-n结中的电场方向相反，结中的电场方向相反，结中电场减弱，势垒降低，扩散结中电场减弱，势垒降低，扩散增强，形成正向电流。增强，形成正向电流。+_qVD q(VDV)少数载流子的抽取或吸出pnpnpn 当当p-n结反向连接时，结反向连接时，外电场方向与外电场方向与p-n结中的结中的电场方向相同，结中电场电场方向相同，结中电场增强，势垒升高，少数载增强，势垒升高，少数载流子在电场作用下移动形流子在电场作用下移动形成反向电流。成反向电流。p

8、-n结的正向导通特性与反向截止特性结的正向导通特性与反向截止特性光电材料与器件基础光电材料与器件基础15金属金属-半导体接触（肖特基结）半导体接触（肖特基结） 肖特基结肖特基结欧姆接触欧姆接触 金属金属 n型半导体型半导体 n型型p型型 M S肖特基结肖特基结欧姆接触欧姆接触 M 800次次，其中单篇最高，其中单篇最高100次次从事高性能有机光电材料、有机薄膜晶体管与有机太阳能电池的研究。主持国家级与省部级项目 8 项，经费 1000 多万元；发表学术论文50篇，全部SCI收录，成果申请国内外发明专利18件。学术论文包括： Adv. Mater. 3 篇 J. Am. Chem. Soc. 1

9、 篇 Chem. Comm. 1 篇 Sol. Energy Mater. Sol. C. 4 篇 Appl. Phys. Lett. 6 篇 Org. Electron. 4篇 2011年中国百篇最具影响国际学术论文1篇张小文张小文 副教授副教授上海大学博士上海大学博士薛小刚薛小刚 副教授副教授中科院博士中科院博士熊健熊健 副教授副教授中南大学博士中南大学博士蔡平蔡平 副教授副教授华南理工博士华南理工博士马传国马传国 教授教授中山大学博士中山大学博士典型工作典型工作1：有机光电材料多晶薄膜研究：有机光电材料多晶薄膜研究 发展出一种多晶薄膜发展出一种多晶薄膜晶界密度的晶界密度的定量表征方法定量

10、表征方法，揭示了薄膜生长，揭示了薄膜生长初期初期晶界的演变。晶界的演变。0.10(V)2mm横向剪切力横向剪切力晶体晶体 晶界晶界 GBmmm： 薄膜迁移率mGB：晶界迁移率500nm碳碳60500nm并五苯并五苯 70Zhang*, et. al Adv. Mater. 2008, 20, 3254; Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 193117. 首次首次制备出有机半导体多制备出有机半导体多晶纳米柱阵列。晶纳米柱阵列。难点：晶界的定量表征与演变；薄膜纳米形貌结构控制难点：晶界的定量表征与演变；薄膜纳米形貌结构控制 典型工作典型工作2：有机薄膜晶体管：有机薄膜晶体管

11、发明夹心型构型，采用两种分子的层状复合解决了发明夹心型构型，采用两种分子的层状复合解决了电极电极/半导半导体界面问题体界面问题，获得了高迁移率的性能。，获得了高迁移率的性能。 迁移率迁移率提高一个量级提高一个量级 当时酞菁薄膜迁移率最高纪录当时酞菁薄膜迁移率最高纪录夹心型构型夹心型构型 71Zhang, et al, Adv. Mater. 2005, 17, 1191; Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 142.美国发明专利：美国发明专利：6,806,492；6,914,258有机薄膜晶体管有机薄膜晶体管难点：难点： 金属金属/ /有机半导体有机半导体界面如何实现高效载

12、界面如何实现高效载流子注入与导出流子注入与导出半导体半导体1 1介质层介质层衬底衬底栅极栅极半导体半导体2 2源电极源电极漏电极漏电极研究平台建设研究平台建设 功函数功函数 (eV) 高功函数氧化石墨烯实现阳极界面能级调高功函数氧化石墨烯实现阳极界面能级调控，将有机太阳电池效率提高控，将有机太阳电池效率提高15-30%。73氧化石墨烯氧化石墨烯 高稳定性，环境友好，价格便宜高稳定性，环境友好，价格便宜 水相水相 问题：问题： 界面能级不匹配界面能级不匹配功函数功函数: 4.6 - 4.9 eV半导体能级：半导体能级：5.1 eV 高功函数材料：高功函数材料：5.2 eV 氧等离子体处理、光氯化

13、氧等离子体处理、光氯化Zhang*, et. al, Adv. Energy Mater. 2014, 4, 591; Chem. Commun. 2012 48, 8078. 典型工作典型工作3：有机太阳能电池：有机太阳能电池 10.15% Zhang*, et. al, J. Mater. Chem. A 2015, DOI: 10.1039/C5TA00930H. 发明专利发明专利：201410164123.9 74阳极界面材料阳极界面材料半导体半导体离子液体离子液体阳极阳极阳极阳极EF vac 电极电极 表面表面 电极电极 半导体半导体 偶极偶极 LUMO 以离子液体实现阴极界面能级调

14、控，以离子液体实现阴极界面能级调控，效率效率 10.1%的有机太的有机太阳电池。阳电池。BF4-NN+Bu典型工作典型工作4：有机太阳能电池：有机太阳能电池 最高效率最高效率 (正式文献正式文献) 国际：国际：10.8%国内：国内：10.6%Zhang*, et. al, Physica Status Solidi - Rapid Research Letters, 2015,9(6):353. 发明专利发明专利： 201510065767.775以以MoO3/NPB/MoO3/CBP构建梯度结构空穴注入传输体系，构建梯度结构空穴注入传输体系，EL峰值峰值410nm；辐照度；辐照度2.2mW/

15、cm2；EQE=0.72%的的UVOLED典型工作典型工作5：有机电致发光器件：有机电致发光器件 广西“关于做大做强做优广西工业的决定”（14+4）：14个千亿产业：电力、电子信息等四大新兴产业：新材料、新能源、节能与环保、海洋卷对卷制备技术 有机光电材料：低温工艺，低成本 、重量轻。有机光电器件 ：有机薄膜晶体管：有机集成电路（新材料、电子信息）有机太阳能电池：有机光伏技术（新材料、新能源）工作计划：有机光电材料与器件工作计划：有机光电材料与器件 工作计划：有机光电材料与器件工作计划：有机光电材料与器件 光电材料光电材料有机半导体材料有机半导体材料量子点材料量子点材料石墨烯及其衍生物石墨烯及其衍生物二维纳米材料二维纳米材料光电器件光电器件有机与钙钛矿太阳能电池有机与钙钛矿太阳能电池发光二极管发光二极管有机薄膜晶体管有机薄膜晶体管光催化制氢光催化制氢应用应用 太阳能光伏太阳能光伏信息显示信息显示传感器与检测器传感器与检测器氢能：产氢与制氢氢能：产氢与制氢总总 结结 绪论绪论 光电材料与器件光电材料与器件 我们团队的相关研究：我们团队的相关研究：太阳能电池，发光二极管，薄膜晶体管太阳能电池，发光二极管，薄膜晶体管 作业作业1.1.光电材料光电材料 vsvs 半导体材料半导体材料2.2.有机发光二极管的工作原理有机发光二极