硅-有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合光電材料與器件的研究.pdf

1、硅基光電子材料是未來信息科技發(fā)展的關(guān)鍵材料，但由于硅是一種間接帶隙的材料，本體發(fā)光效率極低，導(dǎo)致硅基光電子集成難以實(shí)現(xiàn)。為了改善硅材料本身的發(fā)光性能，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，其中硅/有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光也是一個重要的研究方向，但目前進(jìn)展甚微。有機(jī)半導(dǎo)體材料具有易加工低成本和能高效發(fā)光等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)施硅材料與有機(jī)半導(dǎo)體材料的復(fù)合，則有望克服硅材料的上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)硅基光電集成；同時對硅/有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合體系中可能存在的能量轉(zhuǎn)移、電子轉(zhuǎn)移等作用過程

2、進(jìn)行系統(tǒng)研究，可以發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象、新結(jié)構(gòu)，豐富相關(guān)理論。因而，對硅/有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合材料與器件的研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。 本文首先綜述了硅/有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合光電材料與器件的研究進(jìn)展，然后以電化學(xué)腐蝕法制備多孔硅(PS)，PS的掃描電鏡表征結(jié)果表明，隨著電化學(xué)腐蝕時間的延長，多孔硅的孔徑變大；通過電化學(xué)沉積的方法制備PS/N，N’-苯基-3，4，9，10-花四羧基二酰亞胺(DPP)復(fù)合材料，PS/DPP復(fù)合材料研究結(jié)果表明，

3、隨著PS孔徑的增大，DPP更容易進(jìn)入孔內(nèi)與PS接觸，形成更大的兩相界面；PL譜結(jié)果表明，復(fù)合后PS和DPP的PL都有一定程度的淬滅，而表面光電壓譜(SPS)結(jié)果表明，復(fù)合后體系SPS響應(yīng)增強(qiáng)，這說明在PS/DPP復(fù)合材料中，光生載流子的電荷分離效率得到提高；電化學(xué)腐蝕時間為60min的PS與DPP復(fù)合后，體系的SPS響應(yīng)增強(qiáng)幅度最大(從51μV增加到100μV)，這是由于該復(fù)合體系有較大的兩相界面。 以萘鈉為還原劑，與SiCl4

4、進(jìn)行反應(yīng)，在溶液中合成了表面鏈接辛氧基的可溶性納米硅，并使之與聚乙烯基咔唑(PVK)進(jìn)行復(fù)合，PL譜和紫外-可見光(UV-vis)吸收光譜研究結(jié)果表明，納米硅的UV-vis吸收光譜和PVK的PL譜有較大重疊，可能導(dǎo)致兩者之間的福斯特共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，通過光譜重疊計(jì)算得到FRET的福斯特臨界距離(R0)為51A；PL譜和激發(fā)(PLE)譜結(jié)果表明，在納米硅/PVK復(fù)合材料中，PVK的PL強(qiáng)度隨納米硅含量的增加而減弱，以明顯紅移于PV

5、K的吸收邊的激發(fā)光(415nm)激發(fā)復(fù)合薄膜所得到的PL強(qiáng)度，弱于PVK和納米硅同時被激發(fā)所得到的PL強(qiáng)度，同時PLE譜結(jié)果顯示，納米硅的PL除了來自自身被激發(fā)而發(fā)光的貢獻(xiàn)外，還有來自PVK的激發(fā)貢獻(xiàn)，表明了在該復(fù)合體系中存在從PVK到納米硅的能量轉(zhuǎn)移；時間分辨PL譜結(jié)果表明，復(fù)合后PVK的熒光壽命隨著納米硅含量的增加而變短，而納米硅的熒光壽命則隨著它的含量的增加而延長，通過熒光衰減動力學(xué)計(jì)算得到的R0為47A，這與通過光譜重疊計(jì)算得到

6、的結(jié)果接近；通過計(jì)算得到了從PVK到納米硅FRET。的效率(最高為0.42)和速率(最大為11.10×107S-1)。 以N-十二烷基-N’-苯基-苝酰亞胺(DOPP)與納米硅復(fù)合，PL譜顯示，合后納米硅有較大的熒光淬滅，由于DOPP的UV-vis吸收光譜和納米硅PL譜有一定重疊，提出熒光淬滅有可能是從納米硅到DOPP的FRET過程所致；通過計(jì)算估算出DOPP濃度為10％的復(fù)合材料中，F(xiàn)RET過程只對22.4％的納米硅熒光淬滅有

7、貢獻(xiàn)，但是納米硅的熒光淬滅高達(dá)78％，據(jù)此提出還有其他的機(jī)理來支配熒光淬滅；循環(huán)伏安測試結(jié)果表明，DOPP和納米硅具有能級交錯結(jié)構(gòu)，因此提出存在于兩者之間的電子轉(zhuǎn)移可能會主導(dǎo)納米硅的熒光淬滅；時間分辨PL譜結(jié)果表明，復(fù)合后納米硅的熒光壽命得到延長，這進(jìn)一步說明電子轉(zhuǎn)移是熒光淬滅的主導(dǎo)原因；電子轉(zhuǎn)移也導(dǎo)致了體系光敏性的大幅提高，復(fù)合后體系的光敏性最多可提高近4倍。 以p型單晶硅為陽極，可增強(qiáng)有機(jī)電致發(fā)光器件(OLEDs)的空穴注入

8、，但是這也導(dǎo)致了器件電子(少子)、空穴(多子)注入的不平衡，以往的研究思路多是采用壓制空穴注入(如在硅陽極長出一層SiO2)的方式，來實(shí)現(xiàn)電子、空穴平衡注入；我們采用三(5-氟-8-羥基喹啉)鋁作為電子傳輸材料來制備硅基/有機(jī)復(fù)合發(fā)光器件，研究結(jié)果表明，與常用電子傳輸材料-三(-8-羥基喹啉)鋁(Alq3)相比，5FAlq3可以有效提高器件電子注入，這樣就在一定程度上改善了硅基/有機(jī)復(fù)合發(fā)光器件電子、空穴注入不平衡的狀況，但是由于5FA

9、lq3的熒光量子效率較低，并且經(jīng)5FAlq3改善后的電子注入仍不足以與器件空穴注入相匹配，導(dǎo)致器件發(fā)光性能與效率仍未提高；為此，在器件中引入空穴阻擋材料-1，10-鄰菲羅林衍生物(BCP)，實(shí)現(xiàn)了器件發(fā)光層(Alq3)與電子傳輸層(5FAlq3)的功能分離，結(jié)果器件的效率得到了較大提高(功率效率由0.117lm/W提高到0.426lm/W)；引入BCP后，器件在硅陽極電阻率為1Ωcm時得到最大功率效率，這也說明此時器件的電子、空穴注入最