有机半导体解读PPT资料.ppt

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在有机高分子中，掺杂导致电导率有一个快速上升的过程，与此同时，磁化率在相当范围内几乎为0。

这表明，导致电导率上升的载流子不是一般导体或半导体中的电子和空穴。

无定型结构的有序程度不同，导致分子的能级状态不同，会不同程度形成类似晶体材料能带结构的能级有序排列。

通常将存在一定能隙的有机半导体材料的LUMO能级与传统半导体的导带底能级相对,将HOMO能级与传统半导体的价带顶能级相对。

由于能稳定存在的有机半导体材料的能隙（即LUMO与HOMO的能级差）通常较大，且电子亲和势较低，大多数有机半导体材料是p型的，也就是说多数材料只能传导正电荷。

这个正电荷代表有机分子失去一个电子（通常是HOMO能级上的电子）后呈现的氧化状态。

弱有序，分子大无定型结构载流子迁移率低,（HOMO能级较低,电子离化势较大,有利于接收注入的空穴）结构特点：

1.分子中具有担负电荷传输任务的大共轭和p-共轭轨道。

2.分子中含有能提供p电子的N原子，通常为芳香胺类化合物，芳环上含有给电子基团。

3.为分子量小于1000的小分子结晶体，具有一定的玻璃化温度和明确的熔点。

种类包括：

腙类、三苯胺类、丁二烯类苯乙烯基三苯胺类等,空穴型（p型）有机半导体,四苯基联苯二胺类化合物红荧烯,电子型（n型）有机半导体,结构特点：

芳环有吸电子基团，如氧原子、硝基、酰胺基、金属离子等。

种类：

芳香族化合物,八羟基喹啉铝（Alq3）聚噻吩（OHigothiophenes）富勒烯（C60）萘类卟啉（BPh2q）,（LUMO能级较高,电子亲合势较小,利于接收注入的电子）,有机分子主要由C、H、O、N等轻元素组成,分子间的相互作用弱而电子-晶格耦合作用强,因此,载流子的迁移容易引起分子的形变,导致分子结构的重组。

有机半导体中的载流子是伴随着这种分子形变而产生的自陷态元激发,如孤子、极化子和双极化子等。

以结构最为简单的共轭聚合物聚乙炔为例：

聚乙炔分子结构畸变示意图,反式聚乙炔中,A相和B相互为镜像,结构相同,能量简并。

顺式聚乙块的A相和B相能量是不相同的。

若聚乙炔分子链受到热激发，则链段的构型可以从A相克服扭转能垒转变成B相。

当A相和B相在同一条分子链上存在时，在其接合处就会形成一个“畴壁”。

A相和B相之间的畴壁代表了一种被激发的能量状态，并且能在分子链上进行传递，我们把它定义为“孤子（Soliton）”。

在二聚化基态聚乙炔中,电子在周期为2a的周期势场中运动,电子波函数是延展态的Bloch波,它们的能级构成导带和价带。

当激发起孤子后,畴壁范围内晶格原子的位移破坏了原来的周期性势场,出现了局域在畴壁范围内的畸变势场,电子在此畸变势场作用下形成定域电子态。

定域电子态的能级将是分立的,位于禁带中央。

对于中性孤子来说，这个能级上有且只有一个电子，这个电子可以有两种不同的自旋状态；

若孤子失去一个电子，则成为一个带正电荷的孤子（孤子能级上没有电子）；

若孤子得到一个额外的电子，则成为一个带负电荷的孤子（孤子能级上有两个电子）。

带电荷的孤子倾向于与一个电中性的孤子结合，形成一个“极化（Polaron）”。

孤子能级上的电子状态,反式聚乙块具有双重简并的基态,可以产生孤子元激发。

对具有非简并基态聚合物,如顺式聚乙炔、聚噻吩、聚对苯撑等,其元激发不是孤子，而是极化子。

以聚噻吩为例，其基态包括两种能量不同的构型，分别称为“芳香式”和“菎式”,极化子由一对孤子组成。

极化子与双极化子就是大多数有机半导体材料中的主要载流子。

在有机半导体材料中，分子之间仅有微弱的范德华力，载流子的离域程度通常仅限于一个分子之内。

只有在有机半导体的单晶材料中才会出现载流子在几个相邻分子之间离域的情况。

因此在非晶态的有机半导体材料中，电荷在不同分子之间的传递要通过“跳跃（Hopping）”方式完成。

跳跃传输的有效程度与相邻分子之间的键重叠程度有关，重叠度越高，跳跃传输的速度越快。

非晶态有机半导体材料中的载流子迁移率会在一定范围内随着温度的增加而提高。

各个有机分子的共轭轨道，可以视为载流子的一个个束缚区域，而载流子的跳跃传输就是从一个束缚区跳入另一个束缚区。

摆脱束缚需要一定的热激发，所以温度在一定范围内升高时，有机半导体中的载流子迁移率会有所上升。

在多数情况下，适量的掺杂可以明显地提高有机半导体材料中的载流子迁移率。

有研究表明，掺杂物可以充当有机分子之间的桥梁，把一个共轭区域内的载流子快速地引到另一个共轭区域里。

研究现状及发展趋势,在学术界与工业界的共同努力下,有机半导体材料与技术研究不断取得新的进展,这一领域已成为一个汇集了物理、化学与材料科学等学科的多学科交叉研究领域,工艺技术不断取得新的突破,预示着有机半导体革命的到来。

当前,采用有机半导体已可制作各种类型的有源器件和无源器件,如晶体管、二极管、OLED、传感器、存储器、显示器、电池、电阻、电容、电感和天线等。

自1987年第一个OFET的成功研制至今,OFET技术发展迅速,无论是材料研究还是器件制备工艺都取得了较大的突破。

2007年底美国佐治亚理工大学采用C60薄膜利用室温工艺制作出高性能场效应晶体管,器件的电子迁移率高于非晶Si材料,且阈值电压较低,开-关比值较大,工作稳定性也较高。

2009年,日本东北大学的研究人员采用液相外延工艺成功生长了近乎无缺陷的并五苯单晶,他们继而采用该单晶制成一种OFET。

2010年1月法国CNRS和CEA的研究人员开发出一种能够模仿神经元突触主要功能的纳米粒子有机存储场效应晶体管（NOMFET）,为新一代神经激发计算机系统设计提供了一条新思路。

1.有机场效应晶体管（OFET）,2.有机太阳电池（OSC）,与第一、第二代太阳电池相比,有机太阳电池更轻、更薄,在同等体积展开后的受光面积大大增加,因此将其应用于通信卫星可提高光电利用率。

有机太阳电池还以其轻薄柔软易携带的特点,成为微型电脑、数码播放器和无线鼠标等小型电子设备的电源。

轻薄柔性是有机太阳电池最大优点,其最大不足是效率低、寿命短。

有机太阳电池的产业化自2005年开始已经持续了数年,随着科学理论与制造工艺的进步,产业化的突破已现曙光。

3.有机发光二极管（OLED）,OLED技术可能是有机半导体领域发展最成熟的器件平台。

与液晶显示器（LCD）相比,OLED具有可视度更佳、图像质量更好、显示器更薄等优点,而且还可以弯曲折叠、随身携带。

目前OLED已经在一些小型设备中得到应用,如移动电话、掌上型电脑以及数码相机等。

OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化，应用范围属于中小尺寸面板。

WRGB技术则是把红、绿、蓝有机发光体在玻璃面板上垂直蒸镀，使二极管整体发白光通过色彩提纯技术来表现色彩信息的方式。

此方式是适合大尺寸OLED电视面板及呈现高清晰度的技术。

4.射频识别标签、有机传感器及集成智能系统,RFID被称为本世纪的十大技术之一，但是高成本一直制约着这项技术的普及和发展,低成本有机RFID标签技术的研究和发展有望解决这一问题。

目前全球都还处于探索阶段,但对其发展前景普遍看好。

微芯片上的传感系统催生了“芯片实验室”这一新概念，具有这一特征的器件主要应用领域包括医疗和环境监测等领域。

采用“芯片实验室”平台可以将分析用的所有元器件制作在一个完整的集成系统中来简化系统、降低成本。

许多不同类型的有机传感器系统已经问世,如集成化学、温度和压力传感器、电子鼻、电子舌、光扫描仪以及盲人专用的电子布莱叶传感器等。

集成智能系统（ISS）可以将多种完全不同的功能集成在一块芯片上,从而开辟了许多全新的价值领域。

ISS的应用领域包括诊断系统、大面积传感器、智能光源与光系统和智能包装等。

有机半导体技术已在众多应用领域显示出广阔的发展前景,为此越来越多的公司和机构都开始涉足有机半导体技术的开发与研究。

据2009年的统计结果显示,仅欧洲就有15个国家多达70余家公司在从事有机半导体技术的开发。

随着批量制造技术水平的提高,有机半导体技术将真正成为一项实用化技术,并与无机半导体技术展开有力的竞争。

OLED电视的实用化水平已达到相当程度,市场占有率也在不断提高,随着制造成本的大幅降低,OLED电视将成为千家万户必不可少的家用电器。

此外,OLED技术还将有助于电子报纸开发,人们将不需每天都购买报纸。

建筑物玻璃窗将增添更多新的功能,采用OLED技术的玻璃窗在电源关闭状态时与普通玻璃窗并无区别,而接通电源后即可变成显示器或广告栏。

汽车挡风玻璃的功能也不再只是阻挡风沙,它还能为司机提供导航图或其他信息帮助。

有机半导体器件具有易加工、成本低、功耗小等许多无机半导体器件所不具备的优点,因而有着极具潜力的应用优势。

但与无机半导体器件相比,有机半导体器件在性能、使用寿命和制作工艺等方面上还需要进一步的优化和完善。

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