光电材料与器件

光电材料与器件

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目录

目录-------------------------------------------------------------------------------------------1

1前言-----------------------------------------------------------------------------------------2

2有机光电材料------------------------------------------------------------------------------2

2.1光电材料的分类---------------------------------------------------------------------2

2.2有机光电材料的应用----------------------------------------------------------------3

2.2.1有机太阳能电池材料---------------------------------------------------------3

2.2.2有机电致发光二极管和发光电化学池---------------------------------------4

2.2.3有机生物化学传感器---------------------------------------------------------4

2.2.4有机光泵浦激光器-----------------------------------------------------------4

2.2.5有机非线性光学材料---------------------------------------------------------5

2.2.6光折变聚合物材料与聚合物信息存储材料----------------------------------5

2.2.7聚合物光纤-------------------------------------------------------------------6

2.2.8光敏高分子材料与有机激光敏化体系---------------------------------------6

2.2.9有机光电导材料-------------------------------------------------------------6

2.2.10能量转换材料--------------------------------------------------------------7

2.2.11染料激光器-----------------------------------------------------------------7

2.2.12纳米光电材料--------------------------------------------------------------7

3光电转化性能原理-------------------------------------------------------------------------7

4光电材料制备方法-------------------------------------------------------------------------8

4.1激光加热蒸发法-------------------------------------------------------------------8

4.2溶胶-凝胶法----------------------------------------------------------------------8

4.3等离子体化学气相沉积技术（PVCD）------------------------------------------9

4.4激光气相合成法------------------------------------------------------------------9

5光电材料的发展前景----------------------------------------------------------------------10

1前言

有机光电材料是一类具有光电活性的特殊有机材料。通常是富含

碳原子，具有大π键共轭键的有机小分子和聚合物,与无机光电材料相

比，有机光电功能材料可以实现大面积制备和柔性期间制备；具有多

样化的结构组成和更宽广的性能调节空间，可以进行分子设计来获得

所需要的性能，并通过自组装的方式制备分子级甚至纳米级别的器

件；材料密度小，价格低廉且结构易修饰强。成为了全球新材料、新

能源和电子信息领域最富活力的前沿领域之一。

2有机光电材料

2.1光电材料的分类

2.1.1按用途分类

①光电转换材料:根据光生伏特原理,将太阳能直接转换成电能的

一种半导体光电材料.目前,小面积多结GaAs太阳能电池的效率超

过40%.

②光电催化材料:在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的

半导体光电材料.它使许多通常情况下难以实现或不可能实现的反应

在比较温和的条件下能够顺利进行.

2.1.2按组成分类

①有机光电材料:由有机化合物构成的半导体光电材料.主要包括

酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等。

②无机光电材料:由无机化合物构成的半导体光电材料.主要包括

Si、TiO2、ZnS、LaFeO3、KCuPO46H2O、CuInSe2等。

③有机-无机光电配合物:由中心金属离子和有机配体形成的光

电功能配合物.主要有2,2-联吡啶合钌类配合物等.

2.1.3按尺度分类

①纳米光电材料:是指颗粒尺度介于1—100nm之间的光电材

料.

②块体光电材料:是指颗粒尺度大于100nm的光电材料.

2.2有机光电材料的应用

光电材料的研究应用已经在太阳能电池、光电开关、图象记录、

光存储、以及光催化合成、环境保护等各方面取得了重要的进展,为

太阳能及其它光能的利用开辟了广泛的途径.

2.2.1有机太阳能电池材料

有机太阳能电池是20世纪90年代在导电聚物发现的基础上发

展起来的新型光伏产品，有机光伏材料包括多种有机高分子材料和有

机小分子材料，用于太阳能电池的阳极缓冲层、给体、受体、阴极修

饰层、电极等不同功能结构中,目前已经发现的导电高分子材料有聚

乙炔（PA）聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚对苯乙烯(PPV)、聚苯胺

(PANI)及其各类衍生物。

2.2.2有机电致发光二极管和发光电化学池

有机电致发光二极管，简称OLED,它是一种在电场下有机共轭化

合物被激发并辐射出可见光的元件。OLED的发光过程大致可以分为

以下几个步骤:载流子注入;载流子输运;载流子相互俘获形成激子;激

子迁移并衰减驰豫;光子输出。

发光电化学池，简称LEC，则依赖于另一种发光机制，一般的

LEC器件发光层是由两种聚合物共混而成的聚合物薄膜。其中一种聚

合物是发光二极管中常用的发光聚合物,另一种则是具有离子传导特

性的聚合物。

2.2.3有机生物化学传感器

由于有机P-π共轭分子具有可见区的荧光性质,因此可以用来作

为生物或化学的传感器。通常的策略是利用检测物对有机共轭分子荧

光的淬灭行为,从而能够很直观地判断检测物的存在。一般而言荧光

淬灭的机理主要是有机共轭分子的激发态与检测物的能级之间存在

的能量转移或电子转移,使其激发态失活而不能发生荧光过程所致。

2.2.4有机光泵浦激光器

与无机材料相比,有机半导体激光材料更近似四能级系统,这使其

吸收峰与发射峰偏离较大,自吸收引起的损耗比较小,有机材料带间直

接跃迁具有很大的相交密度,因而通常具有大的受激截面,其受激辐射

相对于自发辐射占有明显优势。在较低的光泵浦能量作用下就可以实

现粒子数反转,从而具有了产生激光辐射的先决条件之一.1992年,已

成功使用液体染料激光器在共轭聚合物(MEH-PPV)上产生激光。

1996年初,又首次使用固态共轭聚合物(如PPV及其衍生物)实现了光

泵浦激光;而几乎同时,剑桥大学卡文迪许实验室也在一个非掺杂共轭

聚合物微腔激光器结构上获得了光泵浦绿色激光,从而正式揭开了有

机激光研究的大幕。到目前为止,红绿蓝三种波段的固态有机半导体

光泵浦激光器都已经实现,性能也得到了大幅的提高。

2.2.5有机非线性光学材料

有机非线性光学材料的发展是建立在激光技术的应用之上的。根

据光波的电磁理论,组成介质的分子、原子或离子的运动状态和电荷

分布等都要发生一定形式的变化,从而形成电偶极子并产生电偶极矩,

即介质被光波诱导产生了极化。其具体应用也非常广泛,如光限幅器、

倍频转换以及电光调制解调器和电光开关等。

2.2.6光折变聚合物材料与聚合物信息存储材料

在激光辐照下材料折射率发生变化的现象称为光折变,在激光均

匀照射下折射率变化会消除.利用这种作用能实现用激光对聚合物材

料折射率调制而记录信息,折射率变化消除过程就成了光信息的擦除.

光折变聚合物材料可用于全息存储、光学图像处理和光学相位共扼

等.

有机固体信息存储材料是指能制成具有信息写人、读取和擦除等

功能器件的材料,它具有存储密度高、体积小、品种多、易制备、价

格低的特点.可分为光致变色、光折变、光化学或光物理光谱烧孔等

类型.

有机光致变色分子存储原理有:分子内或分子间氢转移,如水杨醛

缩苯胺类化合物;二聚反应;顺反异构,如烯烃、偶氮类及靛类化合物;

电荷转移;苯酚酒昆转变等。有机光致变色存储材料主要有:俘精酸醉、

叫噪琳唾喃、螺毗喃、二芳基乙烯和聚丁二炔,存在的问题有稳定性、

抗疲劳性和组份相容性等。

2.2.7聚合物光纤

塑料光纤的优点是柔软性好、易加工,但在光传输损耗和耐热性

方面比石英光纤差,适用于短距离通讯,世界上非常重视塑料光纤在医

院及其他局域网短距离信息传输中的应用,对下世纪光纤人户具有重

要意义。

2.2.8光敏高分子材料与有机激光敏化体系

光刻胶主要用于大规模集成电路,在光照下,光刻胶发生交联或降

解,使溶解度降低(称正一性光刻胶)或提高(负性光刻胶).其分辨力是

集成电路集成度的关键.

激光技术的发展带来对激光光敏材料的需求.光敏材料的研究转

向适合不同激光源的引发体系或分解体系,一般感光高分子体系只对

紫外光敏感,在敏化光引发聚合体系感光范围与激光光源匹配的研究

已寻找到多种引发体系如染料与胺类复合体系、方酸或著增感剂、光

酸等。

2.2.9有机光电导材料

在受光辐射时,具有电导率增加效应的材料称为光电导材料,一般

将具有光电导效应的有机化合物类与高分子类通称为有机光电导材

料.光激发下光电导材料产生电子、空穴载流子后，在外加电场作用

下，电子移向正极，空穴移向负极，因而在电路中有电流流过。光电

导体可将光信号转换成电信号,即将光能转换成电能,通过增感,光电

导材料的响应光波长可调,如聚乙烯咔哇与三硝基药酮混合后,响应波

长从紫外区移至可见区。

2.2.10能量转换材料

①隐身材料:雷达隐身最为重要,有机隐身材料分为导电聚合物、

席夫碱盐和有机金属络合物等.导电高聚物微波吸收剂材料有望用作

隐身战斗机和侦察机的蒙皮,这类吸波材料是以电磁损耗原理来消耗

电磁波能量.

②光一电转换材料:纳米多晶光电转换材料、染料光敏材料、有

机超导体、有机铁磁性材料、有机压电材料、有机铁电体材料、有机

液晶材料、有机分子器件如分子开关、分子导线等方面。

2.2.11染料激光器

功能染料在高技术中的最早应用是作为激光染料。染料激光器是

一种以染料为工作介质,将染料受激辐射所产生的光辐射,沿某一特定

方向反复传播、放大,使之形成一束强度大、方向集中的光束光电发

生装置。

2.2.12纳米光电材料

纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的

一种纳米材料。

3光电转化性能原理

光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子

处于激发态而产生的电荷传递过程.当一束能量等于或大于半导体带

隙(Eg)的光照射在半导体光电材料上时,电子(e)受激发由价带跃迁到

导带,并在价带上留下空穴(h+),电子与空穴有效分离,便实现了光电

转化.大于或等于带隙宽度的光的激发,产生非平衡载流子,它们在自

建电场的作用下,发生定向移动,导致表面电荷量发生改变。对于P型

半导体,光生电子移向表面,光生空穴移向体相,n型半导体则与之相

反。

4光电材料制备方法

光电和信息功能材料由于其不同的性能和尺寸要求,制备方法是多种

多样的.

4.1激光加热蒸发法

激光加热蒸发法是以激光为快速加热源,使气相反应物分子

内部很快地吸收和传递能量,在瞬间完成气相反应的成核、长大和终

止.该方法可以迅速生成表面洁净、粒径小(<50nm)且粒度均匀可控

的纳米微粒。

4.2溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法的原理在于利用含成膜物质的溶胶的水解进而在

衬底上得到需要的薄膜.其基本步骤是先用金属无机盐或有机金属化

合物在低温下液相合成为溶胶,然后采用提拉法或旋涂法,使溶液吸附

在衬底上,经胶化成凝胶,凝胶经一定温度处理后即可得到纳米晶复合

薄膜,目前已采用sol-gel法得到的纳米镶嵌复合薄膜主要有

Co(Fe,Ni,Mn)/SiO2,CdS(ZnS,PbS)/SiO2。由于溶胶的先驱体可以

提纯且溶胶-凝胶过程在常温下可液相成膜,设备简单,操作方便.因此,

溶胶-凝胶法是常见的纳米复合薄膜制备方法之一.

4.3等离子体化学气相沉积技术（PVCD）

借助等离子体使含有薄膜组成原子的气态物质发生化学反应,而

在基板上沉积薄膜的一种方法,特别适合于半导体薄膜和化合物薄膜

的合成,被视为第2代薄膜技术.PVCD技术是通过反应气体放电来制

备薄膜的,这就从根本上改变了反应体系的能量供给方式,能够有效地

利用非平衡等离子体的反应特征.由于等离子体中的电子温度高达

104K,有足够的能量通过碰撞过程使气体分子激发、分解和电离,从而

大大提高了反应活性,能在较低的温度下获得纳米级的晶粒,且晶粒尺

寸也易于控制,所以被广泛应用于纳米镶嵌复合膜的制备,尤其是硅系

纳米复合薄膜的制备.

4.4激光气相合成法

激光气相合成纳米材料的原理是采用高速流动的反应物气体与

高能量的CO2激光垂直正交,发生交互作用产生能量的共振、吸收,

在气流喷射的下方形成稳定、可控的高温反应火焰,反应物在瞬间发

生分解、化合,生成物经气相凝聚、成核和生长,在气流惯性和与反应

气同轴的载气带动下,由真空泵抽吸,进入粉体收集器内.

4.5水热合成法

在密闭体系中,以水为溶剂,在一定温度和水的自生压强下,原始

混合物进行反应的一种合成方法.由于反应在高温、高压、水热条件

下,反应物质在水中的物性与化学反应性能发生了很大变化,而不同于

一般制备方法.能直接制得结晶完好,原始粒度小、分布均匀,团聚少的

纳米粉体,制备工艺相对简单.无需焙烧处理,但是高温高压下的合成

设备较贵,投资较大.

5光电材料的发展前景

从有机光电活性材料和无机光电材料本质上的异同点出发，建立

并发展有机光电材料能带理论；基于结构与性能相关性的研究，通过

制备新材料，进一步优化材料性能；研究影响材料性能稳定性的因素，

探索提高光电性能持久性的途径；在对称共轭结构双光子吸收方面的

研究有望得到新型光敏性有机材料，带有C60链节的聚合物的研究有

望得到具有光电导性和三阶非线性的聚合物材料；在技术方面，材料

加工、器件制作技术及提高成品率的技术保障、延长器件使用寿命等

方面的进步将导致更多有机光电材料的实用化和产业化，有机信息材

料的发展将为突破无机材料集成度极限提供物质基础，如硅基半导体

集成电路极限为线宽0.1чm，有机聚合物分子导线比此极限小几个

数量级；从电子信息传输向光子信息传输的转变等信息科学的发展将

对光电材料提出新的要求，同时将促进有机光电材料的发展。

有机光电材料以其响应速度快、存储密度高、价格低廉、易加工

等优点成为正在崛起的新一代光电信息材料，替代无机材料已成必然

之势。以有机光电材料为基础的光电器件的开发和产业化将推动有机

光电产业达到一个新的高度，甚至有预言“光电产业的未来属于有机

光电材料”。