第2章一维半导体体系(4)

1、高等半导体物理 第二章 一维半导体体系 (4)(三) 有机小分子 LED 2 一, 有机小分子 LED 的结构 图A 图B 有机小分子 LED 的典型结构如图A 所示。 Mq3 是一类有机小分子发光材料，以 Alq3 为代表 (见图B ) HTL ( hole transport layer ) 为空穴传输层, 如 Diamine 和 TPD 膜等。 *二, 有机小分子 LED 的发光机理 3 外加偏压的作用下, 电子由阴极注入, 被空穴传输层阻挡在低 迁移率的电子传输层 Alq3 层内，注入的电子被陷阱俘获；空 穴由阳极注入空穴传输层，靠扩散作用进入 Alq3 层, 与被陷 阱俘获的电子形成

2、 Frenkel 激子, 且复合发光, 如图所示。 发光主要发生在 Alq3 层中 离开 HTL 为空穴扩散长度 EFn 的范围内。 通过引入负电中心 (如掺杂), 由于静电吸引, 可降低 Alq3 EFp 中空穴的扩散系数和扩散长 度, 使发光区集中在约 5 nm 的区域内，提高了发光效率。 阴极 阳极三， Alq3 导电性的研究 4 （1） 实验结果 ( M/Alq3/M 结构, Alq3层厚为100nm) Fig. 2. J-V characteristics of single layer devices based on Alq3, sandwiched between two me

3、tal electrodes. At room temperature, current increases by almost five order of magnitude at a threshold bias of 5.5 V in (a) Al / Alq3 / Al, 4.8 V in (b) Al / Alq3 / Au, 7.2 V in ( c ) Al / Alq3 / ITO structures, respectively, (d) Au / Alq3 / Au devices do not show field induced conductance transiti

4、on, however. 5 1, Al 为阴极时 ( 阳极为 Al, Au, ITO 等 ) 当外加正电压达到一定值 ( 数伏 ) 时, 电流会猛增五个量级。 在室温下加负电压或在高温 ( 350 400 K ) 下零电压, 数小 时后, 可还原为原高阻态。 如此便呈现了电学双稳态 2, Au / Alq3 / Au 结构 不呈现双稳态。（2） 分析讨论 1, 上述 Alq3 的电学双稳态特性源于由具有较小功函数的 Al 电 极的电子注入。 *2, 电子注入引起Alq3构象发生变化 6 两个同分异构体: meridian ( mer-Alq3 ), 低阻。 facial ( fac- Alq

5、3 ), 高阻。 左图: 相邻两方形纸片相近的 右图: 相邻两方形纸片相近的 两个边平行或重合, 两个边垂直, 电子交叠多, 低阻. 电子交叠少, 高阻. * 7四, 有机小分子 LED 的应用 自从 1987 年 Kodak 公司的 C.W.Tang 等人首先用小分子有机 材料研制成发光二极管以来，有机小分子 LED 发展迅速， 目前小分子彩色 OLED 已在手机上试用, 640 480 像素的眼 镜式 OLED 已有商品出售，10 15 吋的彩屏亦已研制成功. 有机小分子材料是目前认为最有前途的有机显示材料. *(四) 有机半导体灯 8 一, 用途: 照明 二, 要求: (1) 高亮度 (

6、2) 以白光为主 三, 特点: (1) 宽可见光发射谱带: 1, 直接宽带 ( 多发光机制 ) 2, 间接宽带 ( 利用荧光材料扩展长波区 ) (2) 高效率: 1, 减低非辐射复合 ( 材料质量 ) 2, 三重态的利用 (3) 响应速度: 不象电子器件要求响应速度高 *(五) 长余辉有机发光材料 ( 磷光材料 ) 9 一, 用途: 如夜间显示 二, 要求: (1) 长余辉: ( 白天吸收的太阳 ) 能量缓慢释放 (2) 高能量: 高能量吸收和转换 ( 以适应长时间发光 ) 三, 特点: (1) 能量传输机制复杂 ( 长余辉 ): 吸收与发光分离 (2) 高效率 ( 高能量 ) 四, 基础研究

7、 ( 从略 ) (1) 两材料间单重态的能量转移 (2) 三重态的利用: 1, 使三重态的能量向单重态转移; 2, 通过耦合作用来提高三重态的辐射跃迁几率, 使之发光 (3) 两种能量传输机制和理论：Frster，Dexter *(六) 有机电子的诱人前景 （塑料电子，聚合物电子） 10 一，优越性：超薄、质轻、柔性、低成本、高性价比、长寿命。 二，应用前景 (1) 显示器 主动发光，不受视角限制。 短余辉，动态影像不拖尾巴。 可用作显示器，如电子商标， 手机、MP4 显示屏等。 手 机 可折叠显示屏 可用于大面积显示，可制成比银行卡还要薄的电视机显示 屏，日本索尼公司已制成 0.3 毫米厚的

8、 OLED 电视面板。 可制成像报纸一样随身携带的阅读器， “电子纸”。 (2) 照明：低成本、高效率、长寿命的平板光源。 白枳灯的效率5%，95%的能量浪费了；OLED 可节能70%。 (3) 电池 新型聚合物太阳能电池，超薄、质轻、柔性、低成本。 太阳能电池服，续航能力超强的太阳能飞机。 * 第六节 碳纳米管 （一维碳基半导体） 11 在 1991 年日本 NEC 公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛 ( Iijima) 在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子, 这就是 “ Carbon nanotube ”，即碳纳米管,

9、又名巴基管，简称 CNTs。 NEC 是 Nippon Electric Company, Limited 的简称，即日本电气股份有限公司(日本电気株式会社），简称日本电气或日电,是一家跨国信息技术公司，总部位于日本东京。 1993 年 S.Iijima 等和 DS。Bethune 等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管。 * (一) 碳纳米管的结构 12 碳纳米管是一种特殊结构的一维量子材料, 具有典型的层状中空结构特征, 管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构, 径向尺寸为纳米量级，轴向尺

10、寸为微米量级、管子两端基本上都封口。 碳纳米管可以是单层；也可以多层，从数层到数十层的同轴圆管, 层与层之间保持固定的距离，约为 0.34 nm，直径一般为220nm。 * 14(二) 碳纳米管的性质 一，力学性质 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs 抗拉强度达到 50200 GPa, 是钢的 100 倍,密度却只有钢的 1 / 6，对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约 800 GPa。 碳纳米管拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是 20 : 1，而碳纳米管的长径比一般在 1000

11、 : 1 以上，是理想的高强度纤维材料。碳纳米管因而被称 “ 超级纤维 ”。 碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。 * 二，电学性质 15 碳纳米管上碳原子的 P 电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当 CNTs 的管径大于6 nm 时，导电性能下降；当管径小于 6 nm 时，CNTs 可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。 Huang 通过计算认为直径为 0.7 nm 的碳纳米管具有超导性,尽管其超导转变温度只

12、有 1.510-4 K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。 三，热学性质 碳纳米管具有良好的导热性，沿长度方向的热导率很高。 * (二) 碳纳米管的应用前景 16 氢气被视为未来的清洁能源, 碳纳米管自身重量轻，有中空的结构，研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的携带式的储氢容器。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。 碳纳米管为物理学家提供了最细的毛细管，以研究新毛细现象。 碳纳米管为化学家提供了最细的反应试管，以研究新化学反应。 碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。 碳纳米管新作为新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样的微型导线可以置于硅芯片上，用来制作更加复杂的电路。 * 17 科学家们还预测，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上。韩国的三星电子公司估计两年内碳纳米管显示屏将上市。 虽然碳纳米管的技术性能非常好