高分子光电材料与器件导论I

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聚合物电致白光器件，SCUT: 邹建华，吴宏滨等; HKBU: 黄维扬等 20 lm/W, 40 cd/A, CIE=(0.40, 0.45), CCT=4200 K Adv. Mater. 2009 21, 4181
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The Future is Brighter & Colourful!
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Molecular Scale Devices Org. Solar Cells
e
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有机电致发光器件的应用前景
Universal Display Corporation (UDC) white OLED prototypes are pictured next to fluorescent and incandescent lamps ，45 lm/W at 1,000 cd/m2 ， CIE (0.39,0.44)
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柔性显示屏
Flexible Internet Display Screen
THE ULTIMATE HANDHELD COMMUNICATION DEVICE
钢笔型柔性通信器的设想(UDC)
UDC, Inc.
柔性显示屏最早的报 导，“自然” 杂志， 1992(UNIAX)
Polymer Vision, Flexible e-Reade displays, E-Ink, 14 320×240, 5 inch
随后的十余年间，不断有其它有机单晶电致发光的报道 。但是固体电极无法提供高效的载流子注入，加上厚度为微米 级的有机单晶需要高电压驱动，发光面积很小，难于获得可靠 的晶体等原因，大大地限制了有机二极管的发展。 但是 ,这些开创性的研究的意义建立了有机固体的电荷注 入,输运,俘获和复合等物理过程的一般理论，表明有机物体系中 的电荷输运是体限制, 载流子复合过程主导电致发光过程。 经典参考书
OLED
ETL EML HTL Glass
~ 3-20V
v
v LC
Alignment Layers Transparent Electrode Glass Substrate Compensation film Front Polarizer anti-scratch, anti-glare, and anti-reflection coatings
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分子电子学
Breakthrough of the Year 2001, No. 1, Molecular Get Wired!
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Why Molecular Wires?
摩尔定律遭遇的瓶颈
传统的硅基器件由于受基本物理规律和制造 工艺的限制,其尺寸不可能无限地减小 量子效应(如载流子隧穿等)会 造பைடு நூலகம்器件漏电流的增加 制造成本会大幅度提高，248 nm 的紫 外光100 nm深紫外光，或者波长更短 的X射线（0.6nm）或者电子束
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各种新型光源功率效率比较
1000
lm/W OLED Green OLED White
180 l/w =白光理论极限值 theoretical limit for “white” light 荧光灯 Fluorescent lamps (Hg vapor) (红黄色)磷化砷铟铝二极管Orange-red AlInAsP LEDs (白, 绿色)氮化镓铟二极管White, green InGaN
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课程大纲
三、基于共轭聚合物的太阳电池（8学时）
1. 太阳电池基础知识 （太阳光谱，太阳电池等效电路和发 展现状） 2. 太阳电池的基本特性和参数 3. 聚合物太阳电池的结构与原理 （结构，聚合物/C60衍生 物中的光诱导电子转移，光生载流子的产生过程，输运， 复合和抽取） 4. 影响聚合物太阳电池性能的主要因素
二、有机电致发光器件基础知识 （14学时）
1. 电致发光器件结构与原理 （载流子的注入，输运，复合，激 子的行程和激发态衰退发光） 2. 无机半导体p-n结和异质结 3. 金属和半导体接触及其整流理论 4. 载流子的注入和欧姆接触 5. 无机半导体发光二极管与有机电致发光器件的伏安特性 6. 电致发光效率及其测量 7. 色度学基础及色度测量 8. 提高器件性能的主要途径 9. 白光电致发光器件的应用及其进展
1976 •1987 •1990 •1992 •1996 •1998 •2000 •2000 •2004 •2008
导电聚乙炔的发现 有机小分子电致发光器件(OLEDs)的发明 聚合物电致发光器件(PLEDs)的发明 可加工高电导聚合物 聚合物薄膜光泵浦激光 三线态高效发光器件 有机发光显示屏手机商品化 诺贝尔化学奖授予 Heeger,MacDiarmid, Shirakawa
课程考核方式 课程论文(70 %)+考勤 (30 %)
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课程大纲
高分子光电材料与器件导论---器件原理及基础 一、有机半导体材料的基础知识 （6学时）
1. 半导体中的载流子 2. 半导体的光学性质及其吸收，发光和光生伏特现象 3. 激发态的辐射衰退 （荧光与磷光 ） 4. 载流子的迁移率
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课程大纲
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电致发光聚合物的结构与颜色之间的关系
1) 共轭聚合物电子的共轭程度和离域程度决定其
HOMO 和LUMO结构及能隙的大小。有机分子的发 光颜色覆盖从紫外到红外整个波段； 2) 通过改变发色团的化学结构或是发色团上取代基的 种类和位置可以调节发光颜色； 3) 发光颜色和分子的共轭长度有关。一般来说，有效 共轭长度越长、发光越红，相反则发生蓝移；
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超级分子计算机
超级芯片
分子电路
Bottom Up
构建单元 分子开关、 分子整流器和分子晶体管
分子导线
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终极目标：
把分子组装为基本电路，将集成电路的集成度进一步提高，研制出由单原子或单分 子构成的器件，在此基础上设计出具有极高速度的数据处理和计算能力的超级分子 计算机。
研究现状：
-----器件原型的制备和验证 基于碳纳米管，有机小分子，聚合物的器件原型的出现；纳米电子器件，分子 电子器件所处的状况与1957 发明集成电路时的情况类似，其成果的意义主要是原理 和概念的验证。 -----有关基础介观物理理论和输运理论的研究 单电子效应，单电子隧穿效应，库仑阻塞效应，普适电导涨落，载流子的弹性散射 与非弹性散射（弱局域化电性 ）； 研究单个分子内部和单分子和电极之间的载流子输运过程,对于揭示分子内部原子和 电子相互作用,构筑单分子器件(如分子整流器、分子导线和分子存储器) 和发展分子 电子学具有重要意义。 -----仪器和设备 显微工具、微观操纵技术和计算机模拟技术
Pope, M., Swenberg, C. E., Electronic progress in organic crystals，Clarendon Press, Oxford, 1982
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突破－－－具有实用价值的有机小分子电致发光器件的发明
Light
Cathode
Anode 邓青云博士（Dr. Ching W. Tang），他 出生于中国香港，毕业台湾大学化学 系。任职于美国伊士曼柯达公司 (Eastman Kodak Co.)
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Appl. Phys. Lett. 51 (12), 21 September 1987 Organic electroluminescent diodes C.W. Tang, S. A. VanSlyke
高分子电致发光器件(聚合物发光二极管)的发明
J. H. Burroughes et al, Nature, 347(1990), 539 (QE=0.05%) D. Braun, et al, Appl. Phys. Lett. 58 (1991), 1982 (QE=1%)
Lighting Source
SONY OLED TV (11 inch, 3 mm thick)， 200000 Yen.
Displays
GE Global Re. , 15 lm/W, (0.36,0.36), 1200 lm, CRI=88
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Prototype of Efficient RGB/White Emission Device Based on Small Molecular
有机/高分子电致发光器件的特色、优点
可根据需要进行分子设计，发光波长覆盖了从蓝光到红光的整 个可见光区域; 响应速度快 ; 成型加工简便, 价格便宜; 易实现大面积器件及功能集成; 体积小，重量轻; 具有低压直流驱动，能耗小; 可以利用合适的有机基底材料，还可以实现全有机的、可弯曲 折叠的柔性器件，譬如卷筒式电视显示屏. 12
有机白光电器件(WOLEDs)效率首次超过白炽灯(12-17lm/W)
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WOLEDs的效率达到40-100 lm/W, 达到日光灯的水平
有机半导体的电致发光现象的发现
图1-1 以蒽单晶为介质的电致发光器 件的电流-亮度-电压特性。单晶厚度 为5mm, 电极接触面积为0.2cm2，采 用液体电极。工作电压上百伏。
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4) 若发光体系有多种发色团，各发色团之间不存在相互作用， 则发光颜色可简单相加； 5) 如果各发色团之间存在相互作用，特别是发色团之间发生能 量转移，分子的发光颜色就没有加和性; 6) 两种不同的发色团相遇时，激发了的短波长发色团可以将其 能量转移给未激发的长波长发色团，使之激发并辐射跃迁而发 光，因而只观察到长波长发色团的颜色。 7）相对于无机发光材料来说，有机材料的色纯度差很多，发 射光谱的半高宽度大约在100～200 nm。
柔性PLEDs
Flexible PLEDS are desirable for their “ruggedness”, i.e. they will not crack or break if dropped, (unlike LCDs).
Source: UNIAX, Inc.
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柔性PLEDs
Source: UNIAX, Inc.
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FOLED-based Pixelated, Monochrome Display
Source: UDC, Inc.
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有机电致发光发展的若干重要里程碑
•1950 •1965 •1973 有机半导体的发现 有机半导体的电致发光现象的发现 有机导体TTF-TCNQ的问世 四硫富瓦烯-四氰基对二次甲基苯醌
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课程大纲
四、基于共轭聚合物的光电探测器 （4学时）
1. 光辐射物理基础 （光辐射的量度和光度学基础） 2. 红外物理及红外技术，红外辐射基本测量 3. 基于共轭聚合物的光电探测器的结构与原理
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迅速发展的有机光电子器件
Organic EL Devices （Next Generation FPD） Org. Field‐Effect Transistors
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导电高分子/聚合物的其它应用
应用领域 实例
电子电导 电极 边界层效应 电子学 光学 电致伸缩效应
电加热元件的挠性导体，电磁屏蔽材料，抗 静电材料 燃料电池，光化学电池，传感器，心电图仪 选择性透过膜，离子交换剂，医药控制释放 分子电子学，发光二极管，数据存储，改良 场效应晶体管 电致变色显示器，非线性光学材料，滤光片 微触动器
华南理工大学材料科学与工程学院 2011级博士/硕士研究生课程
高分子光电材料与器件导论 ---器件原理及基础
吴宏滨
电子邮件：hbwu@scut.edu.cn 电话: 87114346-24
高分子光电材料与器件研究所 2012年4月
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课程须知
---上课时间: 逢周一晚上7：00-9:30 ---每次3课时 (共32/16课时) (4月12-16日外出开会) ---中途课间消息15分钟，每课时45分钟
LEDs
100
OLED Red OLED Blue
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普通灯泡 General light bulbs (60W)
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电致发光光源及背景光光源
Electroluminescent lamps and backlights
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0.1
蜡烛Candle
电致发光聚合物的基本特性
•
在可见光区域内具有较高的荧光量子效率； • 具有较高的电导率，即能有效地传导电子或空穴； • 有良好的成膜特性； • 具有良好的稳定性和机械加工性能
OLEDs/PLEDs vs. LCD LCD
Backlight Diffuser Film Backlight Enhancement Film Rear Polarizer Compensation film Glass Substrate Transparent Electrode
Backlight
在至少四个数量级内，发光强度随着电流密度 的增加成比例地增加。这一结果清楚地表明器 件内发生了载流子注入的过程（图1-1），也确 立了将有机发光量子效率定义为发射光子/注入 载流子比率的基础。同时，还注意到，器件的 电流-电压特性为典型的注入电流受限于体材料 19 传输的特点。
有机半导体的电致发光现象发现的后续研究