硅-有機半導體復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展的關鍵材料，但由于硅是一種間接帶隙的材料，本體發光效率極低，導致硅基光電子集成難以實現。為了改善硅材料本身的發光性能，國內外已經進行了許多研究，其中硅/有機半導體復合發光也是一個重要的研究方向，但目前進展甚微。有機半導體材料具有易加工低成本和能高效發光等優點，實施硅材料與有機半導體材料的復合，則有望克服硅材料的上述缺點，實現硅基光電集成；同時對硅/有機半導體復合體系中可能存在的能量轉移、電子轉移等作用過程

2、進行系統研究，可以發現一些新現象、新結構，豐富相關理論。因而，對硅/有機半導體復合材料與器件的研究具有重要的科學意義和應用前景。 本文首先綜述了硅/有機半導體復合光電材料與器件的研究進展，然后以電化學腐蝕法制備多孔硅(PS)，PS的掃描電鏡表征結果表明，隨著電化學腐蝕時間的延長，多孔硅的孔徑變大；通過電化學沉積的方法制備PS/N，N’-苯基-3，4，9，10-花四羧基二酰亞胺(DPP)復合材料，PS/DPP復合材料研究結果表明，

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

4、進行反應，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)進行復合，PL譜和紫外-可見光(UV-vis)吸收光譜研究結果表明，納米硅的UV-vis吸收光譜和PVK的PL譜有較大重疊，可能導致兩者之間的福斯特共振能量轉移(FRET)，通過光譜重疊計算得到FRET的福斯特臨界距離(R0)為51A；PL譜和激發(PLE)譜結果表明，在納米硅/PVK復合材料中，PVK的PL強度隨納米硅含量的增加而減弱，以明顯紅移于PV

5、K的吸收邊的激發光(415nm)激發復合薄膜所得到的PL強度，弱于PVK和納米硅同時被激發所得到的PL強度，同時PLE譜結果顯示，納米硅的PL除了來自自身被激發而發光的貢獻外，還有來自PVK的激發貢獻，表明了在該復合體系中存在從PVK到納米硅的能量轉移；時間分辨PL譜結果表明，復合后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計算得到的R0為47A，這與通過光譜重疊計算得到

6、的結果接近；通過計算得到了從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；通過計算估算出DOPP濃度為10％的復合材料中，FRET過程只對22.4％的納米硅熒光淬滅有

7、貢獻，但是納米硅的熒光淬滅高達78％，據此提出還有其他的機理來支配熒光淬滅；循環伏安測試結果表明，DOPP和納米硅具有能級交錯結構，因此提出存在于兩者之間的電子轉移可能會主導納米硅的熒光淬滅；時間分辨PL譜結果表明，復合后納米硅的熒光壽命得到延長，這進一步說明電子轉移是熒光淬滅的主導原因；電子轉移也導致了體系光敏性的大幅提高，復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，可增強有機電致發光器件(OLEDs)的空穴注入

8、，但是這也導致了器件電子(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，來實現電子、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/有機復合發光器件，研究結果表明，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/有機復合發光器件電子、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5FAlq3改善后的電子注入仍不足以與器件空穴注入相匹配，導致器件發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)，實現了器件發光層(Alq3)與電子傳輸層(5FAlq3)的功能分離，結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