有机半导体材料载流子复合的研究

发布时间：2017-07-26 16:32

  本文关键词：有机半导体材料载流子复合的研究

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【摘要】：近年来,科学家们对有机半导体材料的研究不断深入,在有机太阳能电池、有机电致发光、有机场效应晶体管以及有机存储器和传感器等有机半导体器件领域取得了令人瞩目的成绩。有机半导体器件的性能与有机半导体材料的输运性质息息相关。其中,载流子复合是有机半导体器件性能的主要损耗因素之一。同时,载流子复合速率对载流子寿命有很大的影响,如果有效地控制载流子的复合,可以显著地增加载流子的寿命。本文分别以有机聚合物材料poly(3-hexylthiophene)(P3HT)和有机小分子材料N,N'-Bis-(1-naphthalenyl)-N,N'-bis-phenyl-(1,1'-biphenyl)-4,4'diamin(NPB)为研究对象,设计制备了以有机材料P3HT和PC61BM混合薄膜为有机层和以小分子材料NPB为有机层的有机半导体光电器件,并深入研究了有机光电器件的载流子复合相关性质。主要内容如下:1.制备了以P3HT和PC61BM混合薄膜为有机层的光电器件,并利用线性增压电荷抽取技术(charge extraction by linearly increasing voltage-CELIV)研究了P3HT和PC61BM混合薄膜束缚态限制的载流子双分子复合性质。考察了激发光强度,混合薄膜中PC61BM的含量和混合薄膜的热退火处理以及混合薄膜的厚度对载流子双分子复合速率的影响。研究表明,激发光强度,混合薄膜中PC61BM的含量和混合薄膜的热退火处理对束缚态限制载流子双分子复合速率有较大的影响,而混合薄膜的厚度对复合速率的影响非常小。激发光强度的变化导致混合薄膜产生不同的光生载流子浓度。在束缚态稳定的条件下,复合速率随着载流子浓度的升高而增加。最佳的给受体比例和混合薄膜的热退火处理都可以降低陷阱的束缚能,低能量的陷阱更有利于束缚态载流子解离和传输,增加了载流子的迁移率。而混合薄膜的厚度对束缚态限制载流子双分子复合速率的影响非常小。随着混合薄膜厚度的增加,束缚态限制载流子双分子复合速率缓慢地增加。高的束缚态限制载流子双分子复合速率意味着束缚态密度分布的中心位于较低的能量,低能量束缚态更有利于载流子的传输和收集。2.在典型的三明治结构有机半导体器件中引入绝缘层,通过CELIV技术考察了有机半导体器件的光生载流子寿命。研究发现此种结构器件的光生载流子寿命长达2h左右。原因是材料中杂质的存在,使有机半导体材料的能带发生弯曲。能带的弯曲导致半导体活性层中产生空穴富集区,同时也会使材料吸收光产生的电子和空穴快速分离。空穴储存在空穴富集区,电子迅速地从电极流出,有效地抑制了载流子复合,实现了超长的载流子(空穴)寿命。并且,理论上分析,通过调节有机半导体器件的能级结构,可以显著增加载流子的寿命。因此,为了理解和证明如何通过改变器件结构和有机材料来调节载流子的寿命。制备了Al2O3绝缘层薄膜取代Si O2绝缘层的有机半导体器件,研究发现基于Al2O3绝缘层器件的光生空穴载流子寿命超过了2小时。进一步研究了不同补偿电压和激发光强度对载流子寿命的影响,阐明了超长载流子寿命的作用机理。更重要的是,基于相同器件结构的其他有机半导体材料TPD、TAPC、Spiro也检测到了载流子长寿命的现象。长寿命载流子的存在使器件具有显著的电荷积累效应,在有机存储和高灵敏度光电探测器方面有广阔的应用前景。
【关键词】：有机半导体 光生载流子 载流子复合 载流子寿命
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 前言11-31
• 1.1 引言11-12
• 1.2 有机半导体材料的载流子输运12-15
• 1.2.1 载流子漂移13-14
• 1.2.2 载流子扩散14
• 1.2.3 载流子复合14-15
• 1.3 有机半导体材料的应用15-20
• 1.3.1 有机太阳能电池器件15-18
• 1.3.2 有机电致发光器件18-20
• 1.4 线性增压电荷抽取（Charge extraction by linearlyIncreasing voltage-CELIV）技术介绍20-25
• 1.4.1 线性增压电荷抽取方法(传统CELIV技术）20-24
• 1.4.2 改进的CELIV技术24-25
• 1.5 本论文的设计思想与主要内容25-27
• 1.5.1 设计思想25-26
• 1.5.2 主要内容26-27
• 参考文献27-31
• 第二章 P3HT和PC61BM混合薄膜束缚态限制的载流子双分子复合研究31-54
• 2.1 引言31-33
• 2.2 实验部分33-34
• 2.2.1 实验所使用试剂33
• 2.2.2 器件的制备33-34
• 2.2.3 实验测试需要的仪器34
• 2.3 结果与讨论34-48
• 2.3.1 如何得到P3HT和PC61BM混合薄膜的束缚态限制载流子双分子复合速率34-37
• 2.3.2 激发光强度对束缚态限制的载流子双分子复合速率的影响37-39
• 2.3.3 活性层给受体比例对束缚态限制的载流子双分子复合速率的影响39-44
• 2.3.4 活性层的热退火处理对束缚态限制的载流子双分子复合速率的影响44-45
• 2.3.5 活性层的厚度对束缚态限制的载流子双分子复合速率的影响45-48
• 2.4 本章小结48-49
• 参考文献49-54
• 第三章 有机半导体材料NPB的超长载流子寿命研究54-74
• 3.1 引言54-55
• 3.2 实验部分55-57
• 3.2.1 实验所使用试剂55-56
• 3.2.2 器件的制备56-57
• 3.3 结果与讨论57-68
• 3.3.1 实验使用分子的结构式57
• 3.3.2 绝缘层材料介电常数对载流子寿命的影响57-63
• 3.3.3 激发光强度对载流子寿命的影响63-64
• 3.3.4 有机层厚度对载流子寿命的影响64-65
• 3.3.5 补偿电压对载流子寿命的影响65-66
• 3.3.6 其他有机材料是否存在超长的载流子寿命66-68
• 3.4 本章小结68-69
• 参考文献69-74
• 第四章 结论74-76
• 作者简介76
• 攻读学位期间发表的学术论文及获得的科研成果76-77
• 致谢77

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本文编号：577349