物理學博士論文開題報告

　　物理學是一門自然科學學科。本文將介紹物理學博士論文開題報告。

　　物理學博士論文開題報告

　　論文題目：有機半導體界面穩(wěn)定性及光電耦合對界面浸潤性的調控

　　一、選題背景

　　如今，隨著通訊技術的空前發(fā)展，人們步入了信息時代，而有機半導體器件以其性能優(yōu)良、成本低廉、取材廣泛、體積輕巧等顯著特點^正在成為信息時代中越來越受矚目的焦點，因此，有機半導體材料及其在信息領域的應用也成為近年來迅速發(fā)展的研究方向。隨著科技、生產(chǎn)力發(fā)展水平的日新月異，新型有機半導體材料的不斷出現(xiàn)，極大地豐富了人們的視野，也引發(fā)了相關有機半導體器件的研究熱潮，目前備受廣泛關注的有機半導體器件包括：有機薄膜晶體管(organicthin,filmtransistors,OTFTs)有機電致發(fā)光器件(organiclight-emittingdiodes,OLEDs)有機太陽能電池和有機存儲取絕益寺。

　　研究有機半導體最早是在1954年，日本科學家赤松、井口等人發(fā)現(xiàn)摻a的芳香族碳水化合物的薄膜中能產(chǎn)生電流，導電率為O.lS/cm,于是首次提出了有機半導體這一概念，從此開辟了有機半導體材料及其器件的研究領域。但是由于材料的遷移率最初很低，使其實用化幾乎是不可能的。因此，一直沒有得到足夠的重視，最近十年人們重新開始關注它這一新的研究熱點，最初是用存機小分子作為功能層的場效應器件和電致發(fā)光器件，并取得了令人激動的結果，引起了學術界的關注，同時也激發(fā)了工業(yè)界的興趣，因此投入大量資金。在此研究中，從有機小分子到聚合物材料，不斷發(fā)現(xiàn)或合成新的有機半導體材料，在功能和應用方面展現(xiàn)了更多結果和更多可能性：工作電壓變的更低，遷移率變的更高,制作方式更加靈活簡單，發(fā)光器件和激光器件具有更高效率。隨著新的有機半導體材料的合成，多種多樣的器件構建和制備方式也不斷出現(xiàn)目前，有機半導體材料的遷移率和開/關電壓比已經(jīng)達到相當高的水平，幾乎接近可以選擇性應用的程度。對有機半導體薄膜器件的研究世界上比較出色的實驗室有：貝爾實驗室(BellLaboratories,LuncentTechnologies);IBMT.J.WatsonResearchCenter(在有機半導體薄膜的生長機制和器件新工藝方面較為出色);英國劍橋大學卡文迪什實驗室光電子學組(R.H.Friends領導的小組在有機半導體器件性能研究和新工藝方面有很多出色的工作);美國賓州大學電子工程系薄膜器件中心(T.N.Jacksoii領導的該組在器件性能提高方面較為出色，有機半導體器件中場效應遷移率最高的數(shù)值就是由他們報道的。

　　然而，在有機半導體器件中，以有機半導體薄膜為主體的有機功能層是重要的組成部分。在加工工藝上，有機半導體薄腹具有一些特點，是無機薄膜所不具備的。無機薄膜通常采用化學氣相沉積、溶膠-凝膠、濺射和電化學等方法制備，而有機薄膜除了上述制備方法外，還有真空蒸鍍法、旋涂、嘖墨打印、有機蒸汽噴印、有機氣相沉積、絲網(wǎng)印刷等方法�，F(xiàn)有的制備有機薄膜的工藝較多，不同方法制備的薄膜質量不同，直接影響著器件的效率，制備方法的選擇也會影響產(chǎn)品的制備成本。一般為保證產(chǎn)品的質量，根據(jù)不同材料的性質選擇不同的制備方法。目前，有機半導體薄膜被應用到有機太陽能電池中，并且已成為研究的熱點。未來有機太陽能電池應用中將面臨的三大挑戰(zhàn)是：轉換效率的提高，大規(guī)模生產(chǎn)以及穩(wěn)定性。對于轉換效率問題，這顯而易見并早已吸引大家的廣泛關注，然而有機半導體的物理與化學穩(wěn)定性卻從另一個方面也影響著轉換效率，甚至直接構成其工業(yè)應用的制約問題。穩(wěn)定性和均勻性是利用噴墨打印技術制備有機薄膜遇到的主要問題之一，必然與有機太陽能電池的工作穩(wěn)定性和使用壽命相關，有必要對有機半導體膜的均勻性和穩(wěn)定性的影響因素以及成膜機制做基礎研究，將有助于提高有機太陽能電池的工作穩(wěn)定性和使用壽命。表面浸潤性，同時從物理和化學兩方面，是一種既可以反映有機膜界面物理變化又能關聯(lián)表面能(成分)變化的方法，是值得探索成為一種有效方法來研究有機膜的穩(wěn)定性與均勻性問題。

　　二、研究目的和意義

　　通過對有機半導體薄膜特性和應用的了解，我們可以看出這種材料性能卓越，具有獨特的優(yōu)勢，己經(jīng)在很多方面顯示出巨大的潛在應用價值。對于有機半導體器件的研究，從興起到現(xiàn)在雖然時間較短，但已經(jīng)取得了巨大的成果，它的諸多優(yōu)點使它在未來的平板顯示領域內，以及太陽能電池領域具備了無限的發(fā)展?jié)撃�。從目前的發(fā)展趨勢來看，擁有輕薄、便攜甚至可折疊顯示屏的電子產(chǎn)品在不久的將來就會成為現(xiàn)實。

　　有機太陽能膜相對于比較成熟的桂材料太陽能器件的一個主要挑戰(zhàn)性是其穩(wěn)定性問題，然而有機膜較低的轉換效率當前已經(jīng)備受關注，其穩(wěn)定性問題卻沒有得到相匹配的重視。本論文在有機半導體膜的界面中獨到地引入光浸潤性(Opto-wetting)概念，采用一種全新方法，即通過有機膜界面的物理化學特性與光相互作用下對其浸潤性的影響，從而評估有機膜界面均勻性、穩(wěn)定性，并探討其界面能、浸潤性及光電親合的物理機制，此外，由于有機半導體薄膜的表面浸潤性在防腐、防靜電涂層、導電性織物及生物方面的潛在應用，使得對有機半導體薄膜的浸潤性的研究也成為熱點，尤其是通過某些方法對其浸潤性進行調控，得到所期望的結果。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　有機半導體(Organicsemiconductor)是具有半導體性質的有機材料，即導電能力介于有機導體和有機絕緣體之間，具有熱激活電導率，且電導率在規(guī)定范圍內。有機半導體可分為有機物、聚合物和給體-受體絡合物三類。有機物類包括芳烴、染料、金屬有機化合物，如紫精、若丹明B、酞菁、孔雀石綠等。聚合物類包括主鏈為飽和類聚合物和共輛型聚合物，如聚苯、聚乙稀昨挫、聚乙炔、聚苯硫醚等。對于有機半導體而言，一般來說，n型半導體具有高的電子親和勢，即容易得到電子，電子能在一定范圍內傳導，也稱為電子受體(Acceptor)，而p型半導體則具有低的離子化勢能，即較容易失去電子，留下空穴，空穴能在該材料中傳導，也叫做電子給體(Donor)。有機半導體在許多方面不同于無機，包括光學，電子，化學和結構特性。為了設計和模擬有機半導體，需要吸光質或光致發(fā)光這些光學性質的特點[15]，可以透過紫外-可見光的分光光度計和光致發(fā)光譜分光光度計來描述這一類物質的光學特性。半導體膜的表面形貌和形態(tài)，可以用原子力顯微鏡(AFM)和掃描電子顯微鏡(SEM)來研究，游離能這樣的電子特性，可以用紫外光電子能譜學(UPS)來探測。

　　與無機半導體相比，具有如下的優(yōu)點：(1)柔性，可大面積制備，可應用于軟屏幕。(2)制備簡便，無需高真空、高溫等制備條件。(3)分子結構多樣易變，可便于材料的合成和設計。(4)光電一體，制備的器件可以導電、透明、發(fā)光。(5)可做成分子器件，在超大規(guī)模集成電路中，可做成單個有機分子或單元器件，甚至更小，可達到納米的量級。由于這些優(yōu)點，使得由有機材料制備的薄膜也有了應用的優(yōu)勢，如在集成電路、顯示元件等，尤其被應用到太陽能電池活性層中，使得與晶娃太陽能電池相比，有機半導體薄膜太陽能電池具有如下優(yōu)點(1)原料來源的渠道廣泛，化學可變性大;(2)改變和提高材料光譜吸收能力、提高載流子的傳送能力和擴展光譜吸收范圍的途徑有多種;(3)加工容易，可大面積成膜，可采用旋轉法等多種方法成膜;(4)易于進行物理改性，如轄照處理或高能離子注入摻雜，以提高載流子的傳導能力，減小電阻損耗，提高短路電流;(5)電池制作形式多樣;(6)價格較低，合成工藝比較簡單，因而成本低廉。然而，它也存在著一些缺點：器件的壽命、穩(wěn)定性等還有待于進一步研究和提高;應用領域也有待于進一步擴大。

　　四、本文研究的主要內容

　　本論文的主要工作和研究內容包括以下幾個方面：

　　(1)對有機物被溶解到有機溶劑的過程中涉及到的幾種有機溶劑進行了研究。分別研究了甲苯、氯仿和鄰二氯苯對PCBM溶解性的影響，確立PCBM與有機溶劑的依賴關系，以便我們在以后的實驗中將要采用哪種試劑。

　　(2)對含有P3HT和PCBM兩種高分子有機物的液滴在ITO固體基底上蒸發(fā)沉積空間均勻性及對溶液濃度依賴性、空間限域性進行研究。由于釆用噴涂、旋涂等方法制備有機半導體薄膜的過程中，核心的過程是把有機半導體溶液微液滴連續(xù)、高速附著在固體基底上，并蒸發(fā)成膜。研究不同有機半導體溶液濃度的小液滴在固體基底上緩慢蒸發(fā)所沉積的圖案與沉積物空間分布的影響，基于經(jīng)典的“咖啡圈”效應(coffee-ring)，蒸發(fā)液滴液-氣界面空間曲率與蒸發(fā)速率鍋合造成的蒸發(fā)不均勻，從而使得有機半導體分子鏈在三相接觸線(Gas-Liquid-Solid)出嚴重釘扎現(xiàn)象，造成了有機半導體沉積層的嚴重不均勻性，成為威脅薄膜空間均一性的最重要因素。建立沉積圖案與濃度和體積大小之間的依賴關系，重點還關注溶液濃度影響對后期蒸發(fā)動力學過程調控，即液滴整體形貌的失穩(wěn)現(xiàn)象。

　　(3)對由IT0/P3HT:PCBM組成的混合膜在UV光照下，非平衡載流子產(chǎn)生與復合過程中對其界面浸潤性進行研究。不同光照時間下共混膜的表面物理形貌變化與化學變化，能夠直接通過水滴在膜界面上的接觸角來直觀表征。討論載流子壽命與水滴蒸發(fā)過程中水分子擴散的特征時間定量對比，確立P3HT/PCBM界面上載流子壽命時間與水分子擴散特征時間，通過接觸角變化，闡明載流子濃度、共混膜厚度與水分子擴散間的競爭機制。

　　(4)為實現(xiàn)上述對界面浸潤性調控，構建了ITO/ZnO/P3HT有機-無機復合界面結構，研究界面的浸潤性在光電轉換過程中的變化。首先通過水熱法制備均勾的ZnO納米線陣列，接著旋涂法構建了ITO/ZnO/P3HT復合薄膜結構。對其進行不同時間的UV光照，利用接觸角測試方法來研究薄膜表面浸潤性是否改變，通過AFM和XPS從物理和化學方面分析浸潤性改變的原因。

　　五、寫作提綱

　　摘要

　　Abstract

　　第一章緒論

　　1.1引言

　　1.2有機半導體的簡介

　　1.2.1有機半導體的概況

　　1.2.2有機半導體的優(yōu)缺點

　　1.3有機半導體膜界面的制備

　　1.4有機半導體界面的穩(wěn)定性

　　1.5有機半導體界面的光電浸潤調控

　　1.6共混與多層有機半導體界面的應用

　　1.7本論文研究的意義和內容

　　第二章實驗方法與技術

　　2.1引言

　　2.2接觸角

　　2.2.1接觸角的定義及基本理論

　　2.2.2接觸角與潤濕的關系以及影響接觸角的因素

　　2.2.3接觸角的測試方法及測試系統(tǒng)

　　2.2.4接觸角的應用以及接觸角滯后現(xiàn)象

　　2.3原子力顯微鏡(AFM)

　　2.3.1AFM的原理及其結構

　　2.3.2AFM的掃描模式

　　2.3.3AFM的應用

　　2.4X射線光電子能譜(XPS)

　　2.4.1X射線光電子能譜的原理

　　2.4.2X射線光電子能譜的應用

　　第三章有機高分子液滴蒸發(fā)沉積的動力學研究

　　3.1實驗研究

　　3.1.1原料與試劑

　　3.1.2PCBM的溶解性

　　3.1.3實驗過程與樣品制備

　　3.2有機半導體分子溶液蒸發(fā)動力學機制

　　3.2.1P3HT高分子溶液液滴蒸發(fā)沉積的圖案

　　3.2.2PCBM溶液蒸發(fā)液滴的失穩(wěn)

　　3.2.3PCBM溶液蒸發(fā)圖案失穩(wěn)的理論分析

　　3.2.4P3HT/PCBM混合液蒸發(fā)圖案

　　3.3本章小結

　　第四章UV光對有機薄膜P3HT/PCBM浸潤性的影響研究

　　4.1實驗研究

　　4.1.1實驗材料

　　4.1.2樣品的制備及儀器設備

　　4.1.3實驗設備及分析儀器

　　4.2.光電子產(chǎn)生與復合與浸潤性的耦合機制

　　4.2.1光電子對靜態(tài)接觸角影響

　　4.2.2界面物理形貌對光照的響應及對浸潤性的影響

　　4.2.3非平衡載流子擴散機制及浸潤性的影響

　　4.2.4光照對膜界面化學價鍵的改變及對溶液液滴接觸角影響

　　4.3本章小結

　　第五章UV光對有機膜ZnO/P3HT浸潤性影響研究

　　5.1實驗研究

　　5.1.1實驗試劑及儀器設備

　　5.1.2納米ZnO陣列與有機半導體P3HT界面的構建

　　5.1.3實驗及分析儀器

　　5.2光照對有機膜ZnO/P3HT浸潤性影響結果

　　5.2.1接觸角變化

　　5.2.2表面粗糙度影響

　　5.2.3表面化學性質影響

　　5.2.4ZnO/P3HT結構的UV光照可逆性

　　5.2.5電子-空穴活性對浸潤性影響

　　5.3本章小結

　　總結

　　參考文獻

　　致謝

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