有机半导体单晶复合物的溶液制备、形成机理及光电应用

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由于有机物柔性、质轻、种类丰富可调控、加工工艺多样等优点,基于有机半导体制备的场效应晶体管(OFETs)、发光二极管、太阳能电池、发光场效应晶体管、存储器件、逻辑电路以及探测器等电子器件越来越受到研究者的关注。由于有机单晶内部很少存在缺陷及晶界以及本身具有长程有序性等特点,使得单晶的使用在有机半导体领域可以进一步提升半导体器件的性能,从而有着广阔的应用前景。除了电荷传输性能以外,有机光电器件中还需要有其它光电性能,比如说激子扩散、分离等。单一组分的单晶虽然单一性能较为优异,但是往往其它光电性能表现又比较弱。因此,制备基于有机单晶的复合物,通过材料有序复合,可以实现优异的电荷传输性能与多功能性的结合,为进一步制备高性能光电器件奠定基础。溶剂法作为一种适用范围广泛、加工工艺易于调节的方法,可以方便的实现大规模的晶体生长,目前已经被用于有机单晶以及有机晶体异质结的制备。本文的第一章将对目前为止有机单晶半导体以及基于有机单晶的异质结的制备方法展开简单介绍。第二章主要对于液滴中有机单晶生长存在的不同机理展开了详细介绍。我们发现,通过观察有机单晶在遇到障碍物时的生长形貌,可以判断出在液滴中有机单晶的生长机理——即晶体有可能在液滴的固液界面(下表面)或者是气液界面(上表面)形成。我们测试了六种有机单晶并确定了其生长机理(C60、TIPS-TAP、TIPS-PEN、TIPS-BP、diF-TES-ADT、C8-BTBT)。另外,我们发现,有机单晶在溶液中的生长机理主要受到基底的影响,在基底改变的情况下有机单晶的生长机理也可以随之发生变化。第三章中,我们结合了第二章中对于液滴中有机单晶生长机理的研究,并设计了一种在一个混合溶液体系中制备有机单晶异质结的方案——通过选取两种分别在液滴的上下表面生长的p型与n型半导体分子,我们就可以实现两种晶体生长前锋在空间位置上的差异,从而尽可能地避免两种晶体分子之间结晶传质过程的相互干扰,最终就有可能得到生长形貌良好的双层p-n有机晶体。有机晶体异质结展现了优异的双极性传输性能(最高的空穴与电子迁移率达到了 0.60~1.90 cm2V-1s-1,是目前为止有机单晶异质结实现的最高的空穴与电子迁移率之一)。我们还利用单晶异质结制备得到了反相器、存储器件等电子器件,并实现了优异的性能。第四章中,我们还利用有机单晶在溶液中结晶生长的机理实现了 TIPS-PEN晶体与荧光分子PBI纤维的复合物的制备,由于单晶的长程有序性在复合物中并未被破坏,我们成功实现了优异的电荷传输性能(最高空穴迁移率达到3.34 cm2V-1s-1)与荧光性能的复合。这种复合思路为以后实现高性能复合材料的制备奠定了基础。
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