有機(jī)電子學(xué)課件

“有機(jī)電子學(xué)”導(dǎo)論

*

無機(jī)半導(dǎo)體材料及其器件研究，在經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展、成長和成熟，無論對於工業(yè)；科學(xué)研究；生產(chǎn)管理；以致人們的日常生活都產(chǎn)生了巨大的影響，產(chǎn)生了巨大的財(cái)富。隨著科學(xué)研究的進(jìn)步，有機(jī)半導(dǎo)體材料也被提到日程上來，十分顯然，這將給人們又提供一個(gè)新的十分重要的機(jī)遇。

有機(jī)半導(dǎo)體與有機(jī)電子學(xué)——

一個(gè)新的重要機(jī)遇

*

有機(jī)電子學(xué)(Organicelectronics)

的興起和機(jī)會(huì)

OLED(Organiclightemissiondiode)OrganicSolarCellsOFET(OrganicfieldeffectTransistors)Lasers(OpticallyandElectricallyPumpedChemicalSensorsandDetectorsMemorydevicesNano-PatternedStructuresMaterialsGrowthTechnology*OrganicMaterials…AttractiveandproblemsAttractivedueto:

Integrabilitywithinorganicsemiconductors

（具有和無機(jī)材料實(shí)現(xiàn)集成的能力）

Lowcost(fabricdyes,biologicallyderivedmaterials)

（具有低的成本）

Largeareabulkprocessingpossible（可大面積加工）

Tailormoleculesforspecificelectronicoropticalproperties（可使分子合成為適宜應(yīng)用於某些具特殊電子和光學(xué)性質(zhì)的材料）

Unusualpropertiesnoteasilyattainablewithconventionalmaterials（可實(shí)現(xiàn)某些常規(guī)材料不易於實(shí)現(xiàn)的性質(zhì)）

*TheapplicationoforganicelectronicsOLEDphotovolticcellOFET

*

最基本的三種有機(jī)電子器件1.有機(jī)發(fā)光二極體（OLED）,可將電轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。用作發(fā)光及顯示材料。2.有機(jī)光生伏打電池（organic

photovolticcell

）,可將光轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。作為新能源，?shí)現(xiàn)太陽能利用。3.有機(jī)場效應(yīng)電晶體（OFET），可用於調(diào)製電路，可用作開關(guān)及放大器等。*Applications/gadgets/images/2.jpgVisionoxOLEDdisplay

OrganicLightEmittingDeviceshttp://www.imec.be/wwwinter/mediacenter/en/SR2003/research_strategy/images/figure11.jpgOrganicsolarcellonaflexiblesubstrate

OrganicSolarCellMolecularSwitchLightHarvestingSystemLaserChemicalSensorMemoryCellOFET…Basedonsimilarsystems

conjugatedsystems

Involvingphotophysicaland/orphotochemicalprocess:excitedstate

**從外部環(huán)境包括：辦刊方式、同行評議、編輯篩選、合作者的責(zé)任以及實(shí)踐檢驗(yàn)等方面,分析討論該案件產(chǎn)生的緣由,指出杜絕造假的關(guān)鍵是科學(xué)人(Science-man)加強(qiáng)自身道德修養(yǎng),嚴(yán)以律己;除此之外,建立健全監(jiān)督保障體系如改革同行評議等至關(guān)重要,同時(shí)，作為科學(xué)守門人的編輯,責(zé)任重大.

朗訊(BellLabs)內(nèi)的科學(xué)腐敗美國貝爾實(shí)驗(yàn)室(BellLabs)朗訊科技公司(LucentTechnologies)的年輕物理學(xué)家J.H.舍恩(JanHendrikSchon)造假案件*MarchTowardsMolecularElectronicsTheshrinkageofelectroniccomponents.Thelengthscalereachedbytechnologyhasdroppedsteadilyfromthemillimeterscaleoftheearly1950stothepresentdayatomicscale.In1950,thefirsttransistormeasured1mm.Quantum-dotturnstilesofthe1980smeasured10um.Quantumcorrals,inventedinthe1970smeasured100nm.Thelatestdeviceisaoneatompointcontact.AdaptedfromL.L.Sohn,Nature394,131(1998).***

有關(guān)的書籍和期刊1.Pope,M.,andSwenberg,C.E.,ElectronicProcessesinOrganicCrystalsandPolymers,OxfordUniversityPress,Oxford,(1999)2.GordonG.Wallace,GeoffreyM.Spinks,Leon

A.P.Kane-Maguire,PeterR.TeasdaleConductiveelectroactivepolymers——

IntelligentMaterialsSystemsSecondEdition3.Organic.Electron.1999

*所有這些問題都涉及有機(jī)晶體中的電子過程。下列的Pope的著作就和此有關(guān)。

Pope,M.,andSwenberg,C.E.,

ElectronicProcessesinOrganicCrystalsandPolymers,OxfordUniversityPress,Oxford,(1999)

這是Pope,M.,andSwenberg,C.E.,1982年版ElectronicProcessesinOrganicCrystals的擴(kuò)充改寫本。

馬丁.波普是美國紐約大學(xué)教授，曾於1978年8月來我國訪問並在中科院化學(xué)所做了有關(guān)有機(jī)晶體電子過程的系統(tǒng)演講，事後還與錢人元先生共同組寫了”有機(jī)晶體中的電子過程“一書（中文本），於1986年上?？萍汲霭嫔?。這些問題涉及有機(jī)晶體中的電子過程*

OrganicElectronics發(fā)展的簡單歷史回顧：1985年C60的發(fā)現(xiàn)（1996年獲諾貝爾獎(jiǎng)）1986年Tang(EastmanKodak)發(fā)明有機(jī)薄膜太陽能電池（酞菁和苝的衍生物為基）1987年Tang(EastmanKodak)發(fā)明有機(jī)發(fā)光二極體（OLED)1990年英國劍橋大學(xué)Friend等發(fā)現(xiàn)PPV的電致發(fā)光.(PLED)1991年Iijima(日本NEC公司)發(fā)現(xiàn)碳納米管。就在此前後，1986年日本的Tsumura報(bào)告了有機(jī)場效應(yīng)電晶體。從1986年以來，有機(jī)電子學(xué)，無論在基礎(chǔ)研究,材料合成以及器件製作工藝上都有了巨大的進(jìn)展。2000年Heeger

等三位科學(xué)家或Nobel獎(jiǎng)*Forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers/chemistry/laureates/2000/index.html"forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers"*

OrganicandPolymerMaterialsinElectronics

有關(guān)有機(jī)和高分子材料的問題存在兩類不同的有機(jī)材料，

theyarepolymermaterialsandmolecularmaterials.Suchas：*

有機(jī)和高分子的導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料無機(jī)電致發(fā)光材料LED，太陽能電池（或光生伏打電池，Photovoltaiccell)以及場效應(yīng)電晶體FET,MOSFET,CMOSFET等均由無機(jī)半導(dǎo)體製成。它們很多是由兩種不同半導(dǎo)體材料（P型及N型）構(gòu)成異質(zhì)結(jié)而工作，也可單獨(dú)進(jìn)行工作。如無機(jī)LED就是由P/N結(jié)所構(gòu)成。*

基本的工作原理載流子（電子和空穴）的重合而形成激子,進(jìn)而發(fā)光。

——OLED以及激子的分解而引起正，負(fù)電荷的分離。

——

光生伏打電池。這裏涉及的科學(xué)問題有：

有機(jī)電子學(xué)的材料科學(xué)；有機(jī)材料的電子過程以及發(fā)光中的光化學(xué)與光物理等。*

有關(guān)電子過程中的科學(xué)問題在有關(guān)電子過程方面，如：涉及載流子的注入；載流子的遷移；激子的生成，以及激子的分解和重合；在載流子的注入上：又涉及電極/有機(jī)材料的介面問題；其間的勢壘大小，電極材料的功函數(shù)等而載流子的遷移則涉及有機(jī)晶體的導(dǎo)電機(jī)制（Hoppingmechanism),載流子的擴(kuò)散過程以及遷移率的大小和測定等；激子的生成中涉及不同激子的轉(zhuǎn)變，如何從遠(yuǎn)距離的激子轉(zhuǎn)變?yōu)榻嚯x的，即從Wannier

激子轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)發(fā)光體的Frenkel

激子，以及如何防止電荷分離後的電荷重合等。*

光化學(xué)與光物理問題在光化學(xué)與光物理問題上則涉及：激發(fā)態(tài)的輻射與非輻射衰變，激發(fā)態(tài)的壽命，發(fā)光的量子產(chǎn)率，以及如各種不同的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制和電子轉(zhuǎn)移以及電荷轉(zhuǎn)移等。用於機(jī)制研究的瞬態(tài)（快速與超快速）光譜的研究。有機(jī)電子學(xué)中的光功能材料研究。*

有機(jī)電子學(xué)中的材料問題

用於有機(jī)電子學(xué)材料、應(yīng)具的基本特徵是什麼？可從相應(yīng)無機(jī)材料的特徵得到啟發(fā)。*

無機(jī)發(fā)光二極體LEDOnewaytoconstuctanLED

istodepositthreesemi-conductorlayersonasubstrate.Betweenp-typeandn-typesemiconductorlayers,anactiveregionemitslightwhenanelectronandholerecombine.Consideringthep-ncombinationtobeadiode,thenwhenthediodeisforwardbiased,holesfromthep-typematerialandelectronsfromthen-typematerialarebothdrivenintotheactiveregion.Thelightisproducedbyasolidstateprocesscalledelectroluminescence.*

帶有不同色調(diào)的LEDLEDsareavailableinred,orange,amber,yellow,green,blueandwhite.BlueandwhiteLEDsaremuchmoreexpensivethantheothercolours.

*

有機(jī)電致發(fā)光二極體同樣有機(jī)的電致發(fā)光二極體（OLED）,也是由兩層不同電子性質(zhì)的材料所構(gòu)成。一是電子傳輸層，一為空穴傳輸層，前者類似於N型半導(dǎo)體，而後者則類似於P型半導(dǎo)體。通過類似的機(jī)理而實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光。如下圖：**OrganicLightEmittingDevices*

光生伏打電池基本原則要使光變電，必須要使激子的電荷分離，從而分別從兩個(gè)電極引出正電和負(fù)電，在電池的外部形成回路。為提高激子電荷分離的效率，必須防止電荷的再重合，因重合將使工作物質(zhì)回到基態(tài)，使前功盡棄。在電池體系中引入電子受體（如C60）有利於電荷分離，實(shí)際上也類似引入一個(gè)“結(jié)”。*SolarCellPowerEfficiency*

InorganicSolarCell無機(jī)太陽能電池，大多以矽材料所構(gòu)成。如上圖。另一種無機(jī)材料為TiO2液結(jié)太陽能電池，它以聯(lián)吡啶釕（Ru(BPy)3)為敏化劑?？蛇_(dá)12％的轉(zhuǎn)化效率。目前國內(nèi)外研究很多。這是因TiO2材料的禁帶寬度較大，對利用太陽能不利，因此需加入敏化劑，以擴(kuò)展吸收的波長範(fàn)圍。*Energylevelsandlightharvesting.UponirradiationanelectronispromotedtotheLUMOleavingaholebehindintheHOMO.ElectronsarecollectedattheAlelectrodeandholesattheITOelectrode.Φ:workfunction,χ:electronaffinity,IP:ionisationpotential,Eg:opticalbandgap.*PlanarheterojunctionInaplanarheterojunction,or‘bi-layer’device,theorganicdonor–acceptorinterfaceseparatesexcitonsmuchmoreefficientlythantheorganic–metalinterfacesinasinglelayerdevice*PhotoinducedCharge-TransferProcessesoccuringataDonor-Acceptorheterojunction*Onewaytocontrolabicontinuousphaseseparationandinsurealargeinterfacialareabetweendonorandacceptoristocovalentlygraftfullerenemoietiesontothedonor-polymerbackboneso-calleddouble-cablepolymersDouble-cabledevices*

有機(jī)場效應(yīng)電晶體*

逐年來電子材料載流子遷移率的提高*~5nm厚-+++++++++++++++P型半導(dǎo)體*

OFET的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成和工作原理OFET的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和無機(jī)FET相類似.它同樣是一種具三個(gè)端基的器件，並可通過在門電極（gate）上施加電壓，實(shí)現(xiàn)源極（source）和漏極（drain）間（當(dāng)有偏壓存在時(shí)）流過電流的控制。活性層絕緣層*OFET的重要參數(shù)的工作曲線（I－V曲線）開關(guān)比遷移率*

遷移率Mobility遷移率（mobility,μ）是用於描述活性層中、載流子(chargecarriers)

於電場影響下，流動(dòng)的難易程度，因此遷移率和器件的開關(guān)速度（switchingspeed）間有著直接的聯(lián)繫。遷移率值可從電流－電壓的測定中求得，並希望它是能盡可能的大。而目前最佳有機(jī)材料的遷移率可達(dá)1-10

cm2/Vs

。

一般在

cm2/Vs

左右。Kelley,T.W.,etal.,Mater.Res.Soc.Symp.Proc.(2003)771,169.Sundar,V.C.,etal.,Science(2004)303,1644*

開關(guān)比on/offratio

開關(guān)比（on/offratio）的定義是OFET在“開”和“關(guān)”狀態(tài)下，所能通過電流的比值。它是OFET”開關(guān)性能”的一個(gè)重要指標(biāo)。為什麼希望器件具有低的關(guān)閉電流（offcurrent）值？其原因是這將有利於器件處於非活性狀態(tài)（inactivestate）時(shí)，可消除漏電（leakage）的可能。當(dāng)OTFT的開關(guān)比

高達(dá)

時(shí)–這對許多場合下的應(yīng)用，都將是合適的。所以Ion

/Ioff

可代表器件的效率.Dimitrakopoulos,C.D.,andMalenfant,P.R.L.,Adv.Mater.(2002)14(2),99Kagan,C.R.,ThinFilmTransistors,MarcelDekkerInc.,NewYork,(2003)*

有機(jī)場效應(yīng)電晶體用的材料

有機(jī)場效應(yīng)電晶體所用材料可有：

1.共扼的導(dǎo)電高分子。齊聚物分子。

2.大的稠環(huán)化合物分子。

3.電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物(CTC)。*

有機(jī)半導(dǎo)體材料從上面的討論可知：對於有機(jī)電子學(xué)器件，所用的材料也應(yīng)是有機(jī)半導(dǎo)體材料。有機(jī)半導(dǎo)體材料應(yīng)是有機(jī)化合物：而“碳”則是有機(jī)化合物中的基本元素.在有機(jī)半導(dǎo)體材料中，下列的化合物具有重要意義。它們是

1.共扼的導(dǎo)電高分子，和齊聚物分子。

2.大的稠環(huán)化合物分子。

3.分子內(nèi)共扼的電荷轉(zhuǎn)移化合物。

3.電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物(CTC)。*CarbonasfundamentalelementoforganicMaterials飽和的碳原子

–為SP3雜化體系，其電子的充滿態(tài)（Fillstate，HOMO)，與空態(tài)(emptystate,LUMO)間，有著很大的能隙(gap)。不飽和的碳原子–為SP2andSP體系，它們上述兩態(tài)在能量上，較為接近，僅有較小的能隙，但其電子的活動(dòng)空間得到寬展。對於這類化合物應(yīng)當(dāng)具有：空間擴(kuò)展的電子體系，Spatiallyextendedelectronsystem低的電子結(jié)合能，Lowelectronicbindingenergies大的極化能力，Largerpolarizability在固態(tài)中，分子間有優(yōu)良好的耦合

Goodcouplingbetweenmoleculesinsolidstate*N型和P型的有機(jī)半導(dǎo)體材料什麼是N型和P型的有機(jī)半導(dǎo)體材料。無機(jī)的N型和P型半導(dǎo)體是通過摻雜的方法，形成以電子為多子，或以空穴為多子的半導(dǎo)體材料。而有機(jī)半導(dǎo)體材料的N型和P型，則和化合物的缺電子和富電子的狀況相聯(lián)系。缺電子化合物可通過注入電子而富電子，然而，富電子化合物則可通過注入空穴而成為富空穴。因此可以說無機(jī)半導(dǎo)體是通過摻雜而實(shí)現(xiàn)不同的多子化，而有機(jī)半導(dǎo)體則是通過載流子的注入而實(shí)現(xiàn)多子化。*

Polyacetylene聚乙炔Sp2hybridization:sandpboundsConjugatedandconductedpolymers共扼的導(dǎo)電高分子*

Conjugatedpolymers共扼的導(dǎo)電高分子*Smallmoleculesorganicmaterials大共扼的小分子化合物和齊聚物*P型的有機(jī)半導(dǎo)體材料n型的有機(jī)半導(dǎo)體材料*

溶解度問題

如何提高有機(jī)材料的溶解度問題。通過何種方法實(shí)現(xiàn)化學(xué)改性。*

激子形成的途徑激子形成可通過兩種途徑而實(shí)現(xiàn)。一是光的激發(fā)，而形成Frenkel

激子，這是一種電子/空穴諧生的激子。另一種是載流子注入而形成的激子。這是一種非諧生的激子，形成所謂Wannier激子。*

三種不同類型激子的討論

由有機(jī)分子直接激發(fā)生成的稱為Frenkelexciton

由注入電子與空穴而生成的稱為Winnierexciton

由電子轉(zhuǎn)移後生成的稱為電子轉(zhuǎn)移激子CTexciton

雖說激子都是電子和空穴的結(jié)合，但從下圖可以看出：有機(jī)材料中的Frenkel激子是一種無電荷的粒子，它的正，負(fù)電同處於一個(gè)分子中（約10?）。而在半導(dǎo)體中的Wannier

激子，雖其正，負(fù)電也同處於一個(gè)範(fàn)圍（約100?），但並非在同一原子中。可以用不同的能級來進(jìn)一步的認(rèn)識它們。如下圖所示：

*Typesofexcitonsinorganicmaterials有機(jī)分子激發(fā)形成

由注入電子與孔穴後形成經(jīng)電荷轉(zhuǎn)移而形成*

從能級的角度來看激子無機(jī)半導(dǎo)體

有機(jī)分子GROUNDSTATEWANNIEREXCITONGROUNDSTATEFRENKELEXCITON*Inorganicvs.Organicsemiconductors

電子e和空穴h有機(jī)晶體通過電子/空穴注入而形成的是否應(yīng)是Wannier

激子？*

不同激子的結(jié)合能有機(jī)分子Frenkel

激子的結(jié)合能（bindingenergy）因電荷間相距很近r=10?，因此它具有較大的

結(jié)合能，約為1eV。

而在半導(dǎo)體材料內(nèi)的Wannier

激子，則電荷相距較遠(yuǎn)（r=100?），於是其結(jié)合能也就較小，

結(jié)合能約為10meV。在有機(jī)材料中還存在一種所謂電荷轉(zhuǎn)移（CT）的激子，這是通過光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移而形成的，原則上講，這類激子不同電荷間的距離應(yīng)大於激發(fā)分子所形成的激子，而小於半導(dǎo)體的。*

電荷分離和光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移Frenkel

激子的分離，要求一定的能量關(guān)係。電子給體和電子受體的組合，將有利於通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)激子分離。電子轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力以及Weller公式。*

光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移的研究

在化學(xué)過程中的電子轉(zhuǎn)移，就是氧化還原反應(yīng)，其重要性自不待言。Rehm-Weller的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，和Marcus理論所得到的logk對ΔG0作圖，即反應(yīng)速度常數(shù)和電子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)力的關(guān)係，分別列出如下：Rehm-WellerequationMarcustheory*

電子轉(zhuǎn)移過程的驅(qū)動(dòng)力？過程的自由能變化DG0可看作為驅(qū)動(dòng)力，可按Rehm-Weller公式計(jì)算得到DG0式中的EOX

電子給體的氧化電位，Ered

電子受體的還原電位

DE0,0為激發(fā)所提供的能量，C為一數(shù)值不大的常數(shù)因此通過改變不同的給體與受體，可以改變?chǔ)0，即改變電子轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)激子的電荷分離。

*

有機(jī)材料的電子輸運(yùn)機(jī)理通過跳躍機(jī)制而實(shí)現(xiàn)的輸運(yùn)（Transportoccursbyhopping）為什麼有機(jī)材料是按hopping機(jī)制而工作呢？*

TransportoccursbyhoppingElectrontransferbetweenmoleculesTransportoccursbyhoppingElectricField*

有機(jī)晶體材料的Hopping機(jī)制酞菁銅分子作為活性層材料*無機(jī)半導(dǎo)體材料——它是通過原子間的鍵合

形成原子晶體，並具能帶結(jié)構(gòu)*

有機(jī)晶體及器件的導(dǎo)電特徵(提綱）I,有機(jī)分子，特別是共扼高分子的導(dǎo)電性和分子整體的離域特徵。有機(jī)晶體及其結(jié)構(gòu)的特徵——分子晶體（晶格點(diǎn)的定域性），因此其導(dǎo)電的機(jī)制，或載流子的傳輸過程和具有原子晶體的無機(jī)物不同。有機(jī)晶體導(dǎo)電機(jī)制是跳躍機(jī)制（Hopping)

有機(jī)晶體導(dǎo)電性能的溫度依賴性。II,金屬與有機(jī)晶體的介面與載流子的注入問題，*

有機(jī)物形成的為分子晶體有機(jī)材料的特點(diǎn)是：可以得到幾乎是無限量不同性質(zhì)的材料，並易於實(shí)現(xiàn)對基塊性質(zhì)的控制。同時(shí)有機(jī)材料具有良好的結(jié)晶性，介面有序性和低的缺陷密度等。但，有機(jī)化合物所形成的晶體則為分子晶體。它是通過弱相互作用而構(gòu)作起來的。正因它是分子晶體則造成材料的載流子遷移率較低。*

有機(jī)材料的化學(xué)與物理以及與無機(jī)的區(qū)別

*

*有機(jī)材料的特徵：是分子晶體。分子晶體是通過王德瓦力而結(jié)合的。分子晶體具有非整體性的電子離域特徵。

*這種性質(zhì)決定有機(jī)材料、存在與無機(jī)材料不同的導(dǎo)電機(jī)制：無機(jī)的能帶（band)機(jī)制，有機(jī)的跳躍（Hopping)機(jī)制。

*因此有機(jī)材料的分子排列，和晶體結(jié)構(gòu)等也對導(dǎo)電率有重大影響。

*ComparisonbetweenInorganicandOrganicsemiconductors電導(dǎo)率＝遷移率x載流子濃度x電子電荷*

有機(jī)化合物共扼分子的結(jié)構(gòu)特徵*CarbonasfundamentalelementoforganicMaterialsπ

成鍵軌道π

反鍵軌道有機(jī)化合物共扼分子的結(jié)構(gòu)特徵*所以其單個(gè)分子內(nèi)的電子是離域的，但從整個(gè)晶體看則是非離域的。電子在其中的運(yùn)動(dòng)，是一種跳躍機(jī)制——HoppingMechanism.*HOMO與LUMO是原子軌道線形組合而形成分子軌道的成鍵與反鍵軌道。它也代表了分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)能級。兩者間的能隙，代表了基態(tài)與激發(fā)態(tài)的能量差。這一能級可以從吸收光譜和發(fā)射光譜，經(jīng)計(jì)算得到。此外，HOMO與LUMO能級的確定，對有機(jī)電子器件內(nèi)層次的佈置，有著密切關(guān)係。如下圖OLED內(nèi)各層次的合理佈置，和HOMO，LUMO的關(guān)係。*ChargeInjectiononOLEDelectrodesElectroninjectiononOLEDcathodeHoleinjectiononOLEDanodeElectroninjectionHoleinjection

*

電極材料功函數(shù)和

有機(jī)物Redox電位的測定有關(guān)電極材料功函數(shù)的測定，可採用光電子能譜(UPS)的方法。而有機(jī)材料的Redox電位，則一般用迴圈伏安法測得。

用迴圈伏安法測定有機(jī)化合物的redox電位時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)膮⒖嘉铮吐匀ト軇O性的影響（因循環(huán)伏安的測定總是在溶液中進(jìn)行的）等，然後經(jīng)外推，得到氣相下的數(shù)據(jù)。此外在固態(tài)器件中，因偶極層的形成而產(chǎn)生的介面電位，也必須加以消除。*

HOMO和LUMO能量的計(jì)算

AccordingtotheempiricalformulatocalculatetheenergyofHOMOandLUMOfromredoxpotentials.EHOMO=-(Eox+4.4)eVandELUMO=-(Ered+4.4)eVFrom:Leeuw,D.M.,Simenon,M.M.J.,Brown,A.R.,Einerhand,R.E.F.,Synth.Met.,1997,87:53**

有機(jī)晶體是非共價(jià)的結(jié)合

（Non-covalentconnectivity）有機(jī)分子（中性及非極性的(Non-polarity)有機(jī)分子）是如何結(jié)合、而構(gòu)成晶體的？在有機(jī)晶體中，對晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成、負(fù)有責(zé)任的是：非共價(jià)的相互作用?！缤醯峦?vanderWaals)力因此無機(jī)晶體（如氧化矽，單晶矽等）可稱原子晶體。而有機(jī)晶體則稱為分子晶體。分子晶體的晶胞形狀(Shape)和大小(Size)，堆積方式以及它們的功能性(Functionality)等，除了和有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還和晶體生成的條件相關(guān)。不同的生成條件，可以得到具有不同結(jié)構(gòu)排列和不同形貌的結(jié)晶體。*Typesofinteractionsbetweentwoneutralmolecules－有機(jī)（中性）分子形成“分子晶體”的力*Non-covalentconnectivity真實(shí)的勢能曲線來自分子間的相互吸引力以及分子在空間一般排斥力的加和。這種排斥力處於每個(gè)分子的核和電子雲(yún)之間。如下圖所示：*吸引力排斥力作用力總和曲線*Non-covalentconnectivityLennardJonespotential:Inter-moleculardistanceintheorderof0.3nmIntermolecularbondenergyweak,typicallylessthan10kcal/mol

(0.1eV).

*

有機(jī)材料遷移率的溫度依賴性有機(jī)晶體中載流子的運(yùn)動(dòng)是按定域的跳躍機(jī)制，還是非定域的能帶機(jī)制，可通過測定遷移率的溫度依賴性來加以確定。由於在有機(jī)半導(dǎo)體中，晶體是以分子間弱的vanderWaals相互作用力而構(gòu)成的，其能量小於10kcal/mol。這種作用力，要對上述遷移率的極限值負(fù)責(zé)。因?yàn)樵谑覝鼗蚋哽妒覝叵?，分子的振?dòng)能所能達(dá)到的值，已接近於分子間的結(jié)合能。

因此，遷移率就會(huì)因晶格振動(dòng)所引起的載流子散射,而受到限制，使遷移率隨溫度的升高而降低。相反，按能帶機(jī)制而進(jìn)行傳輸?shù)臒o機(jī)半導(dǎo)體材料，其遷移率則隨溫度升高而升高。*

有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)激子的形成和載流子有機(jī)半導(dǎo)體中載流子的引入和無機(jī)半導(dǎo)體有所不同。它是通過電極將電子與空穴注入有機(jī)材料的方式、而實(shí)現(xiàn)的，然而後者，無機(jī)材料則是通過摻雜的方式完成的。在有機(jī)晶體材料中因注入而形成的激子（exciton)稱Winnier

激子。它和分子受光激發(fā)，所形成的激發(fā)態(tài)有所不同。*

極化子Polaron的形成和極化能在有機(jī)材料內(nèi)產(chǎn)生一對偕生的載流子（包括電子與空穴），須提供相當(dāng)於禁帶寬度Eg的能量。（它是通過光激發(fā)而生成）。然後，激發(fā)態(tài)A可經(jīng)電子轉(zhuǎn)移，將其中一個(gè)電子轉(zhuǎn)移給B，而形成兩個(gè)離子自由基A＋和B－。但A,B分子也可在外場的作用下，直接形成正離子或負(fù)離子。它所須的電離能即：離子化電位（Ig)和電子親和能

(Ag)。這裏的g代表在氣相條件下。但在晶體中，生成的離子可使其周圍的分子極化，而釋出極化能P+和P-。因此，氣相電離能（Ig)和晶體相電離能（Ic)間，相差一個(gè)極化能值。

Ig–Ic=P+=P-這一晶體的極化能，和離子在溶液中的溶劑化能相類似。*Frommolecularorbitallevels

topolaronstates當(dāng)電子從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一分子時(shí)，則離子化物種Ionicspecies就生成了。處於LUMO或HOMO上存在過量的電荷，它可極化周圍的分子使之發(fā)生變形，而形成局域的瞬態(tài)電荷localtransientcharge——即極化子POLARON。極化子可以是正的（即在HOMO中建立一空穴），也可以是負(fù)的（即在LUMO中有一電子）。POLARON

極化子*

極化能和激子的結(jié)合能*離子化電位(IP),電子親和能(EA),禁帶

寬度(Eg)以及極化能(Pe,Ph)等的說明極化子所引入的可看作是使離子態(tài)的部分鬆弛或遮罩。從而減小了其有效能隙*導(dǎo)帶能級EC

價(jià)帶能級EVPhPe禁帶寬度IG和IC分別為氣相和晶體相的離子化電位。*Electronmobilityinorganicmaterials由於分子間存在較大的距離，使電子運(yùn)動(dòng)的機(jī)制與通常在無機(jī)半導(dǎo)體材料中碰到的有所不同。上式中μ為載流子遷移率Carriermobility:

即載流子在單位電場下的運(yùn)動(dòng)速度。單位電場強(qiáng)度ε下的電子遷移速度ù為遷移率μ，即μ＝ù/εn為載流子密度,ze

為電荷量。*L平均自由路程M0為自由電子品質(zhì)，M*

為電子的有效品質(zhì)。λe為電子波長，即deBrogliewavelength。遷移率μ如太小，則L<0.1nm，此時(shí)電子定域，而不能移動(dòng)。*

電極向晶體注入空穴和電子的條件基本條件：在熱平衡條件下，電極和有機(jī)晶體間發(fā)生電接觸的電化學(xué)位函數(shù)——即Fermi能級EF

，應(yīng)是一常數(shù)。金屬和有機(jī)半導(dǎo)體能帶模型的差別：金屬：費(fèi)米能級