第2章一維半導(dǎo)體體系(4)

1、高等半導(dǎo)體物理 第二章 一維半導(dǎo)體體系 (4)(三) 有機(jī)小分子 LED 2 一, 有機(jī)小分子 LED 的結(jié)構(gòu) 圖A 圖B 有機(jī)小分子 LED 的典型結(jié)構(gòu)如圖A 所示。 Mq3 是一類有機(jī)小分子發(fā)光材料，以 Alq3 為代表 (見(jiàn)圖B ) HTL ( hole transport layer ) 為空穴傳輸層, 如 Diamine 和 TPD 膜等。 *二, 有機(jī)小分子 LED 的發(fā)光機(jī)理 3 外加偏壓的作用下, 電子由陰極注入, 被空穴傳輸層阻擋在低 遷移率的電子傳輸層 Alq3 層內(nèi)，注入的電子被陷阱俘獲；空 穴由陽(yáng)極注入空穴傳輸層，靠擴(kuò)散作用進(jìn)入 Alq3 層, 與被陷 阱俘獲的電子形成

2、 Frenkel 激子, 且復(fù)合發(fā)光, 如圖所示。 發(fā)光主要發(fā)生在 Alq3 層中 離開(kāi) HTL 為空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度 EFn 的范圍內(nèi)。 通過(guò)引入負(fù)電中心 (如摻雜), 由于靜電吸引, 可降低 Alq3 EFp 中空穴的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散長(zhǎng) 度, 使發(fā)光區(qū)集中在約 5 nm 的區(qū)域內(nèi)，提高了發(fā)光效率。 陰極 陽(yáng)極三， Alq3 導(dǎo)電性的研究 4 （1） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ( M/Alq3/M 結(jié)構(gòu), Alq3層厚為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 為陰極時(shí) ( 陽(yáng)極為 Al, Au, ITO 等 ) 當(dāng)外加正電壓達(dá)到一定值 ( 數(shù)伏 ) 時(shí), 電流會(huì)猛增五個(gè)量級(jí)。 在室溫下加負(fù)電壓或在高溫 ( 350 400 K ) 下零電壓, 數(shù)小 時(shí)后, 可還原為原高阻態(tài)。 如此便呈現(xiàn)了電學(xué)雙穩(wěn)態(tài) 2, Au / Alq3 / Au 結(jié)構(gòu) 不呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。（2） 分析討論 1, 上述 Alq3 的電學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性源于由具有較小功函數(shù)的 Al 電 極的電子注入。 *2, 電子注入引起Alq3構(gòu)象發(fā)生變化 6 兩個(gè)同分異構(gòu)體: meridian ( mer-Alq3 ), 低阻。 facial ( fac- Alq

5、3 ), 高阻。 左圖: 相鄰兩方形紙片相近的 右圖: 相鄰兩方形紙片相近的 兩個(gè)邊平行或重合, 兩個(gè)邊垂直, 電子交疊多, 低阻. 電子交疊少, 高阻. * 7四, 有機(jī)小分子 LED 的應(yīng)用 自從 1987 年 Kodak 公司的 C.W.Tang 等人首先用小分子有機(jī) 材料研制成發(fā)光二極管以來(lái)，有機(jī)小分子 LED 發(fā)展迅速， 目前小分子彩色 OLED 已在手機(jī)上試用, 640 480 像素的眼 鏡式 OLED 已有商品出售，10 15 吋的彩屏亦已研制成功. 有機(jī)小分子材料是目前認(rèn)為最有前途的有機(jī)顯示材料. *(四) 有機(jī)半導(dǎo)體燈 8 一, 用途: 照明 二, 要求: (1) 高亮度 (

6、2) 以白光為主 三, 特點(diǎn): (1) 寬可見(jiàn)光發(fā)射譜帶: 1, 直接寬帶 ( 多發(fā)光機(jī)制 ) 2, 間接寬帶 ( 利用熒光材料擴(kuò)展長(zhǎng)波區(qū) ) (2) 高效率: 1, 減低非輻射復(fù)合 ( 材料質(zhì)量 ) 2, 三重態(tài)的利用 (3) 響應(yīng)速度: 不象電子器件要求響應(yīng)速度高 *(五) 長(zhǎng)余輝有機(jī)發(fā)光材料 ( 磷光材料 ) 9 一, 用途: 如夜間顯示 二, 要求: (1) 長(zhǎng)余輝: ( 白天吸收的太陽(yáng) ) 能量緩慢釋放 (2) 高能量: 高能量吸收和轉(zhuǎn)換 ( 以適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光 ) 三, 特點(diǎn): (1) 能量傳輸機(jī)制復(fù)雜 ( 長(zhǎng)余輝 ): 吸收與發(fā)光分離 (2) 高效率 ( 高能量 ) 四, 基礎(chǔ)研究

7、 ( 從略 ) (1) 兩材料間單重態(tài)的能量轉(zhuǎn)移 (2) 三重態(tài)的利用: 1, 使三重態(tài)的能量向單重態(tài)轉(zhuǎn)移; 2, 通過(guò)耦合作用來(lái)提高三重態(tài)的輻射躍遷幾率, 使之發(fā)光 (3) 兩種能量傳輸機(jī)制和理論：Frster，Dexter *(六) 有機(jī)電子的誘人前景 （塑料電子，聚合物電子） 10 一，優(yōu)越性：超薄、質(zhì)輕、柔性、低成本、高性價(jià)比、長(zhǎng)壽命。 二，應(yīng)用前景 (1) 顯示器 主動(dòng)發(fā)光，不受視角限制。 短余輝，動(dòng)態(tài)影像不拖尾巴。 可用作顯示器，如電子商標(biāo)， 手機(jī)、MP4 顯示屏等。 手 機(jī) 可折疊顯示屏 可用于大面積顯示，可制成比銀行卡還要薄的電視機(jī)顯示 屏，日本索尼公司已制成 0.3 毫米厚的

8、 OLED 電視面板。 可制成像報(bào)紙一樣隨身攜帶的閱讀器， “電子紙”。 (2) 照明：低成本、高效率、長(zhǎng)壽命的平板光源。 白枳燈的效率5%，95%的能量浪費(fèi)了；OLED 可節(jié)能70%。 (3) 電池 新型聚合物太陽(yáng)能電池，超薄、質(zhì)輕、柔性、低成本。 太陽(yáng)能電池服，續(xù)航能力超強(qiáng)的太陽(yáng)能飛機(jī)。 * 第六節(jié) 碳納米管 （一維碳基半導(dǎo)體） 11 在 1991 年日本 NEC 公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島 ( Iijima) 在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子, 這就是 “ Carbon nanotube ”，即碳納米管,

9、又名巴基管，簡(jiǎn)稱 CNTs。 NEC 是 Nippon Electric Company, Limited 的簡(jiǎn)稱，即日本電氣股份有限公司(日本電気株式會(huì)社），簡(jiǎn)稱日本電氣或日電,是一家跨國(guó)信息技術(shù)公司，總部位于日本東京。 1993 年 S.Iijima 等和 DS。Bethune 等同時(shí)報(bào)道了采用電弧法，在石墨電極中添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的碳納米管，即單壁碳納米管。 * (一) 碳納米管的結(jié)構(gòu) 12 碳納米管是一種特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料, 具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征, 管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu), 徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺

10、寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口。 碳納米管可以是單層；也可以多層，從數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管, 層與層之間保持固定的距離，約為 0.34 nm，直徑一般為220nm。 * 14(二) 碳納米管的性質(zhì) 一，力學(xué)性質(zhì) 碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs 抗拉強(qiáng)度達(dá)到 50200 GPa, 是鋼的 100 倍,密度卻只有鋼的 1 / 6，對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約 800 GPa。 碳納米管擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，一個(gè)關(guān)鍵因素是長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長(zhǎng)徑比至少是 20 : 1，而碳納米管的長(zhǎng)徑比一般在 1000

11、 : 1 以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料。碳納米管因而被稱 “ 超級(jí)纖維 ”。 碳納米管的熔點(diǎn)是目前已知材料中最高的。 * 二，電學(xué)性質(zhì) 15 碳納米管上碳原子的 P 電子形成大范圍的離域鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。 碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng) CNTs 的管徑大于6 nm 時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于 6 nm 時(shí)，CNTs 可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。 Huang 通過(guò)計(jì)算認(rèn)為直徑為 0.7 nm 的碳納米管具有超導(dǎo)性,盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只

12、有 1.510-4 K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。 三，熱學(xué)性質(zhì) 碳納米管具有良好的導(dǎo)熱性，沿長(zhǎng)度方向的熱導(dǎo)率很高。 * (二) 碳納米管的應(yīng)用前景 16 氫氣被視為未來(lái)的清潔能源, 碳納米管自身重量輕，有中空的結(jié)構(gòu)，研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的攜帶式的儲(chǔ)氫容器。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來(lái)。 碳納米管為物理學(xué)家提供了最細(xì)的毛細(xì)管，以研究新毛細(xì)現(xiàn)象。 碳納米管為化學(xué)家提供了最細(xì)的反應(yīng)試管，以研究新化學(xué)反應(yīng)。 碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。隨后德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子的“納米秤”。 碳納米管新作為新的一維材料，在未來(lái)的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來(lái)制作更加復(fù)雜的電路。 * 17 科學(xué)家們還預(yù)測(cè)，以碳納米管為材料的顯示器將是很薄的，可以像招貼畫那樣掛在墻上。韓國(guó)的三星電子公司估計(jì)兩年內(nèi)碳納米管顯示屏將上市。 雖然碳納米管的技術(shù)性能非常好