盤狀分子的取向、光電性能及其器件應(yīng)用的初步探索.pdf

1、大環(huán)盤狀液晶分子材料多由較大的芳香中心核組成，并具有一定的自組裝和分子取向傾向，獲得分子取向的盤狀液晶材料，往往具有優(yōu)異的光電物理特性，其高度各向異性的結(jié)構(gòu)可使其在一定方向上的性能得以優(yōu)化，從而獲得高的載流子遷移率、長的激子擴散長度。尤其是其結(jié)構(gòu)缺陷的自我修復(fù)能力，可使得其優(yōu)異的性能保持高度的穩(wěn)定性，令人矚目。因而被認為是極具潛力的、新一代的有機光電子材料。
　　本論文圍繞一系列新型盤狀液晶有機材料在光電子器件中的應(yīng)用，特別是太陽

2、能電池領(lǐng)域的應(yīng)用，展開了一系列的基礎(chǔ)研究，具體研究內(nèi)容包括如下幾個方面:
　　1.本論文首先研究了如何采用盤狀液晶材料，制備具有垂面(homeotropic orface-on)分子取向的薄膜。
　　鑒于常規(guī)盤狀液晶垂面分子取向結(jié)構(gòu)的獲得均采用將盤狀液晶材料灌注入標(biāo)準液晶盒的方式，但是此方法顯然不適用于逐層構(gòu)造的光電子器件的制作。本論文將探索在單一基片表面制備可應(yīng)用的大面積分子垂面取向的方法。雖然在液晶盒中獲得垂面分子取向的

3、報道很多，迄今為止，能在單一基片表面上獲得大面積垂面分子取向的材料卻寥寥無幾，這為其在光電子器件中的應(yīng)用帶了巨大的挑戰(zhàn)。
　　本論文結(jié)合偏光顯微鏡和X射線衍射實驗技術(shù)，研究了一系列盤狀液晶材料的分子取向。重點研究了具有電雙極性的盤狀液晶苯并菲SK-75和電子傳輸性能的葸酮類盤狀液晶AQ6兩種新材料的分子取向特性。本研究第一次嘗試通過溫度調(diào)控的方法，實現(xiàn)了SK-75和AQ6在單一襯底表面上的大面積、穩(wěn)定、均勻、六方對稱高度有序的垂面

4、分子取向，并測得其結(jié)構(gòu)參數(shù)。對比H4TP、H5TP、TPT-BAE較為熟悉的盤狀液晶材料的分子取向發(fā)現(xiàn)，分子結(jié)構(gòu)，尤其是柔性側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)是影響苯并菲類盤狀液晶材料取向的關(guān)鍵因素，同時還需選擇適當(dāng)?shù)臏乜貤l件，才能獲得較好的分子取向。
　　本研究還在上述溫度調(diào)控垂面分子取向的基礎(chǔ)上，進一步引入摻雜誘導(dǎo)輔助的方法研究取向效果。實現(xiàn)了給受體復(fù)合體系oo-CuPc:AQ6以及同質(zhì)復(fù)合體系H4TP:SK-75的誘導(dǎo)分子取向調(diào)控。
　　2.

5、以苯并菲TPT-BAE和蒽醌AQ6盤狀液晶材料為代表，研究了分子取向?qū)馕锢硖匦约拜d流子遷移率的影響。
　　本論文創(chuàng)新性的采用與實際有機光電子器件制備方法一致的逐層生長法，通過溫度調(diào)控在襯底表面上實現(xiàn)了苯并菲TPT-BAE及葸醌AQ6盤狀分子垂面取向，構(gòu)建了接近實際應(yīng)用的器件結(jié)構(gòu)，并分別對兩種分子取向薄膜的光電性能展開了研究，最后展開了初步光伏器件制備的嘗試。
　　研究發(fā)現(xiàn)，短波長的吸收光譜與盤狀分子的取向密切相關(guān)。分子垂面

6、取向后，TPT-BAE及蒽醌AQ6在短波段的紫外吸收顯著增強;TPT-BAE薄膜材料呈雙極性載流子（空穴和電子）遷移，垂面取向使得薄膜的空穴和電子遷移率均獲得近三個數(shù)量級的提高，分別達到6.25×10-2和4.28×10-2 cm2V-1s-1，接近目前已知的苯并菲類盤狀液晶雙極性載流子遷移率的最大值。這是首次嘗試采用飛行時間法研究在單一襯底上垂面取向生長的盤狀液晶的載流子傳輸特性。
　　率先報道了具有分子取向的新型蒽醌類盤狀液晶

7、材料的電子傳輸特性。采用逐層生長法，構(gòu)建了基于蒽醌AQ6在單一襯底上生長的垂面分子取向薄膜，研究發(fā)現(xiàn)，分子取向的蒽醌AQ6薄膜在紫外短波段光吸收顯著增強，有效地提高了吸收截面;通過構(gòu)造唯電子器件，并用空間電荷限制電流(SCLC)方法研究薄膜的載流子遷移率，分子取向后的電子遷移率可提高兩個數(shù)量級，達到1.2×10-2cm2V-1s-1。采用在單一基片上生長的垂面取向結(jié)構(gòu)研究電子傳輸盤狀液晶的載流子傳輸特性，在國際上尚屬首例。
　　3

8、.采用n型蒽醌AQ6盤狀液晶為受體材料，研究了其與給體聚合物制備本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的可行性。
　　研究首次嘗試將蒽醌AQ6分別與p型給體材料MEH-PPV、P3HT共混，制備了相應(yīng)的本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件，探索將AQ6作為受體材料應(yīng)用于聚合物太陽能電池的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，AQ6與MEH-PPV之間由于存在分子間相互作用，不能有效地產(chǎn)生光伏響應(yīng)，推測發(fā)生了分子間電荷轉(zhuǎn)移，使得該組合不能成為有效的給受體組合;而AQ6與P3HT之間

9、的相互作用較小，該組合可以產(chǎn)生光伏輸出，這說明蒽醌類盤狀液晶材料可以作為受體應(yīng)用于有機聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽能電池器件中。
　　4.以盤狀大分子金屬酞菁作為有機層與非晶硅雜化的結(jié)構(gòu)
　　非晶硅與有機材料的復(fù)合或雜化結(jié)構(gòu)的研究極其稀少，本論文第一次創(chuàng)新性地采用非晶硅與盤狀大分子金屬酞菁的簡單復(fù)合結(jié)構(gòu)，并制備了太陽能電池，研究該結(jié)構(gòu)的光伏響應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn)，非晶硅/金屬酞菁可以獲得光伏輸出，器件的光伏性能與金屬酞菁層的厚度密切相關(guān)