第2章一維半導體體系(4)

1、高等半導體物理 第二章 一維半導體體系 (4)(三) 有機小分子 LED 2 一, 有機小分子 LED 的結構 圖A 圖B 有機小分子 LED 的典型結構如圖A 所示。 Mq3 是一類有機小分子發(fā)光材料，以 Alq3 為代表 (見圖B ) HTL ( hole transport layer ) 為空穴傳輸層, 如 Diamine 和 TPD 膜等。 *二, 有機小分子 LED 的發(fā)光機理 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，注入的電子被陷阱俘獲；空 穴由陽極注入空穴傳輸層，靠擴散作用進入 Alq3 層, 與被陷 阱俘獲的電子形成

2、 Frenkel 激子, 且復合發(fā)光, 如圖所示。 發(fā)光主要發(fā)生在 Alq3 層中 離開 HTL 為空穴擴散長度 EFn 的范圍內。 通過引入負電中心 (如摻雜), 由于靜電吸引, 可降低 Alq3 EFp 中空穴的擴散系數(shù)和擴散長 度, 使發(fā)光區(qū)集中在約 5 nm 的區(qū)域內，提高了發(fā)光效率。 陰極 陽極三， Alq3 導電性的研究 4 （1） 實驗結果 ( M/Alq3/M 結構, 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 ( 陽極為 Al, Au, ITO 等 ) 當外加正電壓達到一定值 ( 數(shù)伏 ) 時, 電流會猛增五個量級。 在室溫下加負電壓或在高溫 ( 350 400 K ) 下零電壓, 數(shù)小 時后, 可還原為原高阻態(tài)。 如此便呈現(xiàn)了電學雙穩(wěn)態(tài) 2, Au / Alq3 / Au 結構 不呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)。（2） 分析討論 1, 上述 Alq3 的電學雙穩(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構象發(fā)生變化 6 兩個同分異構體: 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 兩個邊平行或重合, 兩個邊垂直, 電子交疊多, 低阻. 電子交疊少, 高阻. * 7四, 有機小分子 LED 的應用 自從 1987 年 Kodak 公司的 C.W.Tang 等人首先用小分子有機 材料研制成發(fā)光二極管以來，有機小分子 LED 發(fā)展迅速， 目前小分子彩色 OLED 已在手機上試用, 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. 有機小分子材料是目前認為最有前途的有機顯示材料. *(四) 有機半導體燈 8 一, 用途: 照明 二, 要求: (1) 高亮度 (

6、2) 以白光為主 三, 特點: (1) 寬可見光發(fā)射譜帶: 1, 直接寬帶 ( 多發(fā)光機制 ) 2, 間接寬帶 ( 利用熒光材料擴展長波區(qū) ) (2) 高效率: 1, 減低非輻射復合 ( 材料質量 ) 2, 三重態(tài)的利用 (3) 響應速度: 不象電子器件要求響應速度高 *(五) 長余輝有機發(fā)光材料 ( 磷光材料 ) 9 一, 用途: 如夜間顯示 二, 要求: (1) 長余輝: ( 白天吸收的太陽 ) 能量緩慢釋放 (2) 高能量: 高能量吸收和轉換 ( 以適應長時間發(fā)光 ) 三, 特點: (1) 能量傳輸機制復雜 ( 長余輝 ): 吸收與發(fā)光分離 (2) 高效率 ( 高能量 ) 四, 基礎研究

7、 ( 從略 ) (1) 兩材料間單重態(tài)的能量轉移 (2) 三重態(tài)的利用: 1, 使三重態(tài)的能量向單重態(tài)轉移; 2, 通過耦合作用來提高三重態(tài)的輻射躍遷幾率, 使之發(fā)光 (3) 兩種能量傳輸機制和理論：Frster，Dexter *(六) 有機電子的誘人前景 （塑料電子，聚合物電子） 10 一，優(yōu)越性：超薄、質輕、柔性、低成本、高性價比、長壽命。 二，應用前景 (1) 顯示器 主動發(fā)光，不受視角限制。 短余輝，動態(tài)影像不拖尾巴。 可用作顯示器，如電子商標， 手機、MP4 顯示屏等。 手 機 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。 可制成像報紙一樣隨身攜帶的閱讀器， “電子紙”。 (2) 照明：低成本、高效率、長壽命的平板光源。 白枳燈的效率5%，95%的能量浪費了；OLED 可節(jié)能70%。 (3) 電池 新型聚合物太陽能電池，超薄、質輕、柔性、低成本。 太陽能電池服，續(xù)航能力超強的太陽能飛機。 * 第六節(jié) 碳納米管 （一維碳基半導體） 11 在 1991 年日本 NEC 公司基礎研究實驗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石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，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，簡稱 CNTs。 NEC 是 Nippon Electric Company, Limited 的簡稱，即日本電氣股份有限公司(日本電気株式會社），簡稱日本電氣或日電,是一家跨國信息技術公司，總部位于日本東京。 1993 年 S.Iijima 等和 DS。Bethune 等同時報道了采用電弧法，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) 碳納米管的結構 12 碳納米管是一種特殊結構的一維量子材料, 具有典型的層狀中空結構特征, 管身由六邊形碳環(huán)微結構單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結構, 徑向尺寸為納米量級，軸向尺

10、寸為微米量級、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 一，力學性質 碳納米管具有良好的力學性能，CNTs 抗拉強度達到 50200 GPa, 是鋼的 100 倍,密度卻只有鋼的 1 / 6，對于具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約 800 GPa。 碳納米管擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業(yè)上常用的增強型纖維中，一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是 20 : 1，而碳納米管的長徑比一般在 1000

11、 : 1 以上，是理想的高強度纖維材料。碳納米管因而被稱 “ 超級纖維 ”。 碳納米管的熔點是目前已知材料中最高的。 * 二，電學性質 15 碳納米管上碳原子的 P 電子形成大范圍的離域鍵，由于共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質。 碳納米管具有良好的導電性能，由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當 CNTs 的管徑大于6 nm 時，導電性能下降；當管徑小于 6 nm 時，CNTs 可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。 Huang 通過計算認為直徑為 0.7 nm 的碳納米管具有超導性,盡管其超導轉變溫度只

12、有 1.510-4 K，但是預示著碳納米管在超導領域的應用前景。 三，熱學性質 碳納米管具有良好的導熱性，沿長度方向的熱導率很高。 * (二) 碳納米管的應用前景 16 氫氣被視為未來的清潔能源, 碳納米管自身重量輕，有中空的結構，研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的攜帶式的儲氫容器。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。 碳納米管為物理學家提供了最細的毛細管，以研究新毛細現(xiàn)象。 碳納米管為化學家提供了最細的反應試管，以研究新化學反應。 碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動頻率發(fā)生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病

13、毒的質量。隨后德國科學家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。 碳納米管新作為新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到應用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣的微型導線可以置于硅芯片上，用來制作更加復雜的電路。 * 17 科學家們還預測，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。韓國的三星電子公司估計兩年內碳納米管顯示屏將上市。 雖然碳納米管的技術性能非常好，但因成本和其他因素其大規(guī)模推廣仍將會是一個長期的過程。目前，在各大學的物理系和像 IBM 那樣的公司都在制造碳納米管，每克碳納米管的價格是1000美元左右。 我國對此項研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快。目前碳納米化學方興未艾，內容豐富，前景誘人。通過對碳納米管的研究，必然帶動相應學科的發(fā)展。 (三) 碳納米管晶體管 1