有機(jī)半導(dǎo)體薄膜生長及其性質(zhì)研究.pdf

1、OLED器件(Organic Light-emitting Devices)以其質(zhì)輕、體薄、高亮度、自發(fā)光、快速響應(yīng)、高分辨率、視角大、低電壓驅(qū)動(dòng)、低功耗、高效率、長壽命等突出優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)的最佳候選。但是，目前OLED器件在發(fā)光效率、工作穩(wěn)定性和使用壽命等方面還存在許多問題，這限制了它們在大尺寸顯示器上的進(jìn)一步應(yīng)用。針對OLED器件存在的問題，對有機(jī)半導(dǎo)體材料的界面生長機(jī)制、光致發(fā)光特性以及載流子的電輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)地研究

2、，將有助于我們深入地了解OLED器件的工作機(jī)理，也會為增強(qiáng)器件發(fā)光效率、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和提高器件的工作穩(wěn)定性提供必要的理論基礎(chǔ)和改進(jìn)依據(jù)。因此，本文利用掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscopy, STM)、光致發(fā)光(Photoluminescence, PL)譜和阻抗譜等多種實(shí)驗(yàn)手段，分別對并四苯(Tetracene)、8-羥基喹啉鋁(Alq3)和N，N’-二苯基-N，N’-(1-萘基)-1，1’-聯(lián)苯-

3、4，4’-二胺(NPB)這三種有機(jī)半導(dǎo)體材料的表面生長特性、光致發(fā)光特性和電輸運(yùn)特性做了深入細(xì)致地系統(tǒng)研究。
　　 首先，我們利用STM等方法對并四苯分子在釕(Ru)單晶的(i010)表面上的生長行為和吸附結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，并四苯分子平躺著吸附在Ru(1010)表面上，并且是無序分布的，但單個(gè)分子的長軸取向主要沿平行于和垂直于[1210]方向。當(dāng)有機(jī)分子吸附層的覆蓋度接近一個(gè)單層時(shí)，并四苯分子在表面上開始形成鑲嵌圖案。密

4、度泛函理論( Density FuncTiO2al Theory， DFT)計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)并四苯的長軸取向平行于[1210]方向并吸附于最上層和第二層Ru密排原子列的中間時(shí)，吸附能為4.23 eV，該位置是并四苯分子在Ru(1010)表面上的最佳吸附位置。當(dāng)分子長軸取向垂直于[1210]方向并且其質(zhì)心位于密排原子列上兩個(gè)Ru原子的短橋位時(shí)，該位置是它的次佳吸附位，在該位置的吸附能為4.19 eV。這些計(jì)算結(jié)果同STM中觀察到的分子取向

5、分布定性的一致。研究表明，并四苯分子在Ru(1010)表面上的生長行為主要取決于吸附物同襯底之間的相互作用，而分子一分子間的相互作用對并四苯在該表面上的生長影響很小。
　　 采用原位測量的方法，我們研究了厚度變化和加熱一降溫循環(huán)過程對Alq3薄膜光致發(fā)光譜的影響。結(jié)果表明，Alq3薄膜的PL強(qiáng)度隨厚度的增加而增大，但在薄膜沉積的初始階段，由于激子同基底的相互作用，沉積在玻璃基底上的Alq3薄膜的PL強(qiáng)度增長緩慢。當(dāng)薄膜厚度較大時(shí)

6、，光譜強(qiáng)度會以更大的增長速率隨厚度的增加而增大，并逐漸趨于飽和。同時(shí)，光致發(fā)光譜的峰位在厚度變化過程中約有12nm的紅移，但這種隨厚度變化而產(chǎn)生的紅移也是不平均的。顯著的紅移效應(yīng)發(fā)生在Alq3薄膜厚度低于100nm時(shí)，當(dāng)厚度超過100nm后，PL峰位的紅移量非常小。這種紅移效應(yīng)是由于薄膜厚度改變而導(dǎo)致的激子態(tài)從二維向三維轉(zhuǎn)變所引起。
　　 Alq3薄膜隨加熱一降溫過程變化的PL譜表明，退火到130℃時(shí)較厚薄膜的PL強(qiáng)度會顯著提高

7、，但當(dāng)薄膜退火到150℃后，PL強(qiáng)度卻下降，并且Alq3的發(fā)射峰會有約為9nm的藍(lán)移。Alq3薄膜退火到130℃后其PL強(qiáng)度的提高是由于退火過程降低了薄膜內(nèi)陷阱的數(shù)量；而退火到150℃后出現(xiàn)的PL強(qiáng)度下降和發(fā)光譜藍(lán)移效應(yīng)則可歸結(jié)為高溫退火所導(dǎo)致的Alq3薄膜的結(jié)晶。
　　 利用J-V特性曲線和交流阻抗譜等實(shí)驗(yàn)手段，我們對結(jié)構(gòu)為ITO/NPB/Al的單層空穴傳輸器件的輸運(yùn)性質(zhì)做了詳細(xì)地研究。該器件的J-V特性曲線在電壓低于0.6V

8、時(shí)，滿足歐姆定律；當(dāng)電壓高于0.6V后，滿足空間電荷限制電流(Space-Charge Limited Current, SCLC)模式。計(jì)算得到器件的熱生載流子密度約為3.1×1016 Cm-3。阻抗譜測量表明，ITO/NPB/A1器件可以用一個(gè)RC并聯(lián)電路串聯(lián)接觸電阻Rs的模型來描述。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同的偏壓下，NPB的體電容C保持不變，而體電阻R卻隨著電壓的增大而減小。通過擬合得到的電容值，我們可以知道NPB的相對介電常數(shù)約為εr=