有機(jī)電子學(xué)簡介

1、有機(jī)電子學(xué)簡介制作者：陽平袁書偉要點(diǎn)有機(jī)材料與電子學(xué)有機(jī)半導(dǎo)體和無機(jī)半導(dǎo)體的比較有機(jī)材料的光學(xué)特性有機(jī)材料的電學(xué)特性有機(jī)電子學(xué)的幾個(gè)應(yīng)用簡介展望1.1什么是有機(jī)材料？有機(jī)材料:通常是指碳、氫、氮、氧幾種元素以共價(jià)鍵形式構(gòu)成的分子材料，少數(shù)還含有鹵素、硫、磷等元素。有機(jī)材料中分子與分子之間主要是通過范德華力、分子間偶極作用等分子間作用力相結(jié)合。如圖1所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的不同一般分為小分子、聚合物以及生物分子。圖1.有機(jī)材料按照結(jié)構(gòu)復(fù)雜性進(jìn)行分類 1.2有機(jī)材料與電子學(xué)有何關(guān)系？集成電路技術(shù)是微電子技術(shù)的核心，而有機(jī)材料是集成電路中不可缺少的關(guān)鍵性材料。 利用光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移的介質(zhì)光刻膠，

2、這些光刻膠大部分都是有機(jī)材料。 聚酰亞胺，它們是典型的絕緣，鈍化和犧牲材料。這類材料具有諸多優(yōu)越性能， 包括優(yōu)異的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性、良好的絕緣性和介電性能、理想的成膜性以及簡單的成型工藝等。 經(jīng)典有機(jī)材料環(huán)氧樹脂，它們常常被用于芯片的封裝和絕緣層保護(hù)等。 應(yīng)用在顯示器和存儲等產(chǎn)品中?？傊?，隨著科學(xué)與應(yīng)用的發(fā)展，有機(jī)材料的各種性能不斷被利用，并在電子工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。2.有機(jī)半導(dǎo)體與無機(jī)半導(dǎo)體比較與傳統(tǒng)的無機(jī)半導(dǎo)體材料如硅、砷化鎵等相比，以碳原子為基礎(chǔ)的有機(jī)半導(dǎo)體材料，在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面的差異，總結(jié)如下：1、結(jié)構(gòu)差異2、激子差異3、載流子差異4、一般物理性質(zhì)差異3.有機(jī)材料的光學(xué)特性發(fā)

3、光是指材料吸收某種形式的能量而形成激子(即處于激發(fā)態(tài)的分子)后，再以電子輻射的形式回到基態(tài)的過程。來自于單線態(tài)激子的光輻射產(chǎn)生熒光，而來自于三線態(tài)激子的光輻射產(chǎn)生磷光。有多種方式可使材料收到激發(fā)而形成激子：光致發(fā)光，陰極發(fā)光，電致發(fā)光等等；通常，有機(jī)材料的光發(fā)射波長在可見光區(qū)域，但是也存在紫外區(qū)域或者紅外區(qū)域發(fā)光的材料。有機(jī)材料的優(yōu)越性之一：可以通過分子結(jié)構(gòu)的裁剪實(shí)現(xiàn)整個(gè)光譜范圍的發(fā)光。S2圖2.分子吸光與發(fā)光示意圖 Ee振動能級振動能級v3v2v1轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動r3r2r1S1S0 紫外紫外熒光熒光磷光磷光T2T1可見可見 Ev Er紅外紅外單重態(tài)單重態(tài) 三重態(tài)三重態(tài)系間竄躍系間竄躍4.有機(jī)材料的

4、電學(xué)特性 有機(jī)材料的電學(xué)性能主要與載流子數(shù)量及其輸運(yùn)相關(guān)，有機(jī)分子中共軛的sp2雜化軌道的存在是其能夠?qū)щ姷那疤釛l件。單雙建交替的共軛鍵結(jié)構(gòu)使得電子云相互重疊，導(dǎo)致電子的離域運(yùn)動，從而使材料導(dǎo)電，因此共軛鍵結(jié)構(gòu)提供了材料傳輸電荷(空穴或電子)的必要條件。當(dāng)有機(jī)材料中存在共軛的sp2雜化軌道時(shí)，材料的能隙相對地小。因此，電子可以由分子的前沿軌道HOMO躍遷到空置LUMO軌道，提供導(dǎo)電的可能性。或者通過p/n型摻雜，使有機(jī)材料的HOMO/LUMO失去/獲得電子，也為有機(jī)材料導(dǎo)電提供可能性。 在有機(jī)材料中，導(dǎo)電特性受它所包含的功能團(tuán)的影響，同時(shí)有機(jī)材料的自組裝或者有序排列可增強(qiáng)電子的重疊，從而可進(jìn)一

5、步提高電荷傳輸能力。 有機(jī)材料內(nèi)通常存在大量的缺陷，導(dǎo)致了材料的窄能帶特征；同時(shí)有機(jī)材料的能隙普遍比無機(jī)半導(dǎo)體大，因此有機(jī)材料中載流子主要以躍進(jìn)方式輸運(yùn)，從而也決定了這類材料具有較低的導(dǎo)電性能。絕緣絕緣 導(dǎo)電導(dǎo)電有機(jī)電子學(xué)的幾個(gè)應(yīng)用簡介 有機(jī)場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管是現(xiàn)代微電子技術(shù)中最重要的一類器件。利用有機(jī)薄膜來替代普通無機(jī)半導(dǎo)體材料制備的有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFET）有很多優(yōu)點(diǎn)，如：制造工藝相對簡單、生產(chǎn)能耗有望減少、性能可以較簡易地加以調(diào)節(jié)、價(jià)格低廉、可方便的實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。OFET的性能如響應(yīng)時(shí)間等不可能與硅晶片相比，但是基于OFET的廉價(jià)制備工藝、大面積及可柔性的特點(diǎn)，它有可能成為低端

6、且大需求量電子產(chǎn)品中的核心元件，如右圖：有機(jī)電子學(xué)的幾個(gè)應(yīng)用簡介 有機(jī)太陽能電池盡管目前無機(jī)太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了25%以上，但是昂貴的成本及窄帶隙半導(dǎo)體的嚴(yán)重光腐蝕限制了無機(jī)太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用；有機(jī)太陽能電池日益受到人們的重視，并得到不斷發(fā)展。有機(jī)太陽能電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括柔韌性高，制作成本低，以及可得到的大面積均勻膜層等。有機(jī)電子學(xué)的幾個(gè)應(yīng)用簡介 有機(jī)電致發(fā)光活性介質(zhì)在電場的作用下產(chǎn)生的光輻射，稱為電致發(fā)光。當(dāng)夾在正極和負(fù)極之間的活性物是有機(jī)物時(shí)的電致發(fā)光，就稱為有機(jī)電致發(fā)光。原理圖見右圖。有機(jī)電子學(xué)的幾個(gè)應(yīng)用簡介 有機(jī)電致發(fā)光有機(jī)電致發(fā)光的應(yīng)用主要是信息顯示。信息顯示：目

7、前占主導(dǎo)的平板顯示產(chǎn)品是LCD，基于OLED技術(shù)的信息顯示技術(shù)是理想的下一代平板顯示技術(shù)。下圖為近年來面世的基于有機(jī)致電發(fā)光的平板顯示。有機(jī)電子學(xué)的幾個(gè)應(yīng)用簡介 有機(jī)傳感器和存儲器有機(jī)材料除了具有介電性能外，還有半導(dǎo)體、導(dǎo)電、電光、電導(dǎo)等多種功能，可用來制作熱敏、力敏、聲敏、導(dǎo)電敏、光敏、等多種傳感器。由于制備廉價(jià)、種類繁多及光電特性豐富等優(yōu)點(diǎn)，有機(jī)材料成為很好的傳感材料。右圖為基于場效應(yīng)晶體管器件的化學(xué)傳感器。展望有機(jī)電子學(xué)是一門涉及多種學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)門類，它的產(chǎn)生與發(fā)展與當(dāng)前有機(jī)電子材料和器件的迅猛發(fā)展密切相關(guān)。雖說經(jīng)過短短的二十幾年，有機(jī)電子學(xué)的發(fā)展速度驚人，但是應(yīng)該看到它和無機(jī)材料相比，