金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)材料對OLED載流子注入與平衡的調(diào)控

有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)顯示和照明技術(shù)，以其自發(fā)光、色域視角廣、響應(yīng)時間快、驅(qū)動電壓低、高效環(huán)保，可制作大尺寸與可繞性面板等優(yōu)點(diǎn)在照明和顯示領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目開展了半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料以及與聚合物復(fù)合薄膜的制備以及在電場下的載流子輸運(yùn)、注入性能和發(fā)光性能的研究。本項(xiàng)目開展了以下工作內(nèi)容和獲得相關(guān)結(jié)果： 1制備獲得了鋅基化合物半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料，包括ZnO納米晶、納米棒，ZnS納米晶等，通過表面包覆和自組裝手段對納米材料進(jìn)行預(yù)處理以抑制器件的非輻射復(fù)合過程并形成良好接觸的異質(zhì)結(jié)。利用XRD、TEM、SEM、Abs、PL光譜等全面討論了這些納米結(jié)構(gòu)材料的能帶結(jié)構(gòu)、缺陷組成以及缺陷控制。提出了利用具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的二氧化硅控制ZnO納米晶的粒徑大小以及相應(yīng)帶隙，此外利用二氧化硅的表面缺陷修復(fù)的功能，使得ZnO的紫外發(fā)射大幅度增強(qiáng)。 2利用蒸鍍或旋涂技術(shù)將上述納米材料分別與聚合物功能層材料混合成膜或者形成分層薄膜，對薄膜的形貌，表面特性以及整流和導(dǎo)電特性進(jìn)行表征。通過能帶設(shè)計(jì)的核殼結(jié)構(gòu)以及對納米材料的配體置換兩個方面實(shí)現(xiàn)對納米晶的表面功能化，獲得ZnO/ZnS核殼結(jié)構(gòu)的II型核殼結(jié)構(gòu)，以及具有短鏈配體的納米材料，實(shí)現(xiàn)了電子非輻射復(fù)合過程的抑制，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通電壓的降低和理想因子的改善，顯著增大自由載流子的注入數(shù)量和效率。 3、分析電場激發(fā)下器件的電壓-電流特性，發(fā)現(xiàn)基于無機(jī)納米晶ZnS活性層EL器件中，由電壓可以實(shí)現(xiàn)器件光譜調(diào)控，認(rèn)為這一特性來源于驅(qū)動電壓對缺陷能級和量子點(diǎn)粒徑的有選擇性的激發(fā)過程。提出通過量子點(diǎn)ZnS的量子尺寸效應(yīng)和缺陷發(fā)射比例變化的共同作用是一種實(shí)現(xiàn)照明器件色溫連續(xù)調(diào)節(jié)的新方法。對于不同Zn/S比例下制備的量子點(diǎn)，PL光譜和EL光譜呈現(xiàn)相反的移動趨勢，提出“擴(kuò)展缺陷帶”來解釋這一現(xiàn)象，“缺陷帶”中淺缺陷能級被PL激發(fā)而深缺陷能級被EL激發(fā)，導(dǎo)致了兩種光譜相反的移動趨勢。 4、研究電場作用下聚合物材料與納米結(jié)構(gòu)材料所形成的復(fù)合薄膜性能之間的關(guān)系，納米材料對電子傳輸層與發(fā)光層界面的影響。我們以ZnO/SiO2量子點(diǎn)為空穴緩沖層制備了ZnO/SiO2量子點(diǎn)//PVK:NPB復(fù)合器件，發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)作為緩沖層一方面修飾了ITO電極的表面，減少了非輻射躍遷，另一方面從能級結(jié)構(gòu)上ZnO限制了空穴的注入，平衡了載流子的注入，均對器件的性能的提高做出了貢獻(xiàn)。

將有機(jī)半導(dǎo)體可溶液加工性和無機(jī)半導(dǎo)體的高載流子遷移率的優(yōu)勢結(jié)合可獲得光學(xué)和熱穩(wěn)定性良好的復(fù)合材料與器件，近年來在光電子器件領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。本項(xiàng)目采用具有高載流子遷移率的金屬氧化物半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料（量子點(diǎn)、線、管）與有機(jī)半導(dǎo)體材料（聚合物電子傳輸材料或者空穴傳輸材料）結(jié)合構(gòu)成混合或者分層薄膜用于OLED中的載流子傳輸層。通過表面鈍化技術(shù)解決金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)材料在混合層中的分散性或者在分層薄膜界面的均勻性，獲得高質(zhì)量的薄膜；借助飛行時間光譜技術(shù)，討論納米材料的結(jié)構(gòu)對OLED器件功能層中載流子遷移率的影響，獲得器件中空穴和電子載流子向發(fā)射層的電荷注入控制與平衡；借助變溫穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)光致發(fā)光、電致發(fā)光光譜，討論復(fù)合載流子功能層對發(fā)光層的激發(fā)機(jī)制以及能量傳遞規(guī)律的影響，達(dá)到改變電壓在各層的分量，降低器件的無輻射弛豫過程，通過復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，達(dá)到進(jìn)一步通過器件性能的目的。

《納米科學(xué)與技術(shù)熱能調(diào)控微納結(jié)構(gòu)材料》在綜合國內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者承擔(dān)的國家納米研究重大專項(xiàng)“高效節(jié)能微納結(jié)構(gòu)材料體系研究”工作撰寫而成?！都{米科學(xué)與技術(shù)熱能調(diào)控微納結(jié)構(gòu)材料》共6章，第1章介紹微納結(jié)構(gòu)材料微結(jié)構(gòu)表征方法及常用儀器；第2章介紹微納結(jié)構(gòu)材料熱物理性能的表征；第3章介紹微納結(jié)構(gòu)熱物理理論分析和模擬；第4章介紹高效隔熱材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能評價；第5章介紹相變儲能材料在熱調(diào)控方面的應(yīng)用；第6章列舉常用微納結(jié)構(gòu)節(jié)能材料及其應(yīng)用領(lǐng)域。

金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)異的性能，在各個領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用。本項(xiàng)目主要研究金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)在強(qiáng)磁場作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能變化規(guī)律，以澄清金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)在各種條件下的結(jié)構(gòu)－性能之間的關(guān)聯(lián)性；研究在其熔點(diǎn)附近，強(qiáng)磁場作用對金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的形貌變化、結(jié)構(gòu)變化和性能變化的調(diào)控作用及機(jī)理，以探索制備新型功能納米材料的新技術(shù)和新方法。.本項(xiàng)目的實(shí)施和完成，將強(qiáng)磁場技術(shù)引入納米材料研究領(lǐng)域，有助于研究外場作用對納米材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和性能的影響規(guī)律，澄清各種條件下納米材料的結(jié)構(gòu)－性能關(guān)聯(lián)性等科學(xué)問題，以及探索和發(fā)展新的功能納米材料制備技術(shù)和制備工藝，為金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)在各種器件中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

載流子，是承載電荷的、能夠自由移動以形成電流的物質(zhì)粒子。半導(dǎo)體的性質(zhì)跟導(dǎo)體和絕緣體不同，是因?yàn)槠淠軒ЫY(jié)構(gòu)不同；而半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可以控制，主要是因?yàn)槠漭d流子的種類和數(shù)量與導(dǎo)體和絕緣體不同，并且可以受到控制，其調(diào)節(jié)手段就是“摻雜”，即往純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，來改變其載流子數(shù)量、分布和運(yùn)動趨勢，從而改變整體導(dǎo)電性能。

絕緣體和金屬導(dǎo)體的載流子是電子，而半導(dǎo)體除了電子外，還有一種載流子叫空穴。另外還有正離子、負(fù)離子也都帶有電荷，但是在半導(dǎo)體中，它們一般不會流動，所以認(rèn)為半導(dǎo)體的載流子就是電子和空穴這兩種。

電子作為載流子容易理解，因?yàn)槲镔|(zhì)中的原子是由原子核和電子組成的，在一定條件下掙脫原子核束縛的自由電子可以運(yùn)動，因而產(chǎn)生電流。而所謂空穴，就是由于電子的缺失而留下的空位。這就好像車與車位的關(guān)系，假設(shè)有一排共5個車位，從左邊開始按順序停了4輛車，最右邊有1個空位，如果最左邊的車開到最右邊的空位上去，那么最左邊的車位就空出來了。看起來好像是空位從右邊到了左邊，這是一種相對運(yùn)動，車從左到右的移動，相當(dāng)于空位從右到左的移動。同樣道理，帶負(fù)電的電子的運(yùn)動，可看作是帶正電的空穴的反方向運(yùn)動。在沒有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體中，受熱激發(fā)產(chǎn)生的移動的電子數(shù)量和空穴數(shù)量是相等的，因?yàn)閹ж?fù)電的電子和帶正電的空穴會進(jìn)行復(fù)合，在數(shù)量大致相等的情況下，“產(chǎn)生”和“復(fù)合”會達(dá)到一個動態(tài)平衡，這樣宏觀上看來并沒有產(chǎn)生有效電流。為了改善其導(dǎo)電性能，就引入了摻雜手段。

對集成電路來說，最重要的半導(dǎo)體材料是硅。硅原子有4個價電子，它們位于以原子核為中心的四面體的4個頂角上。這些價電子會與其他硅原子的價電子結(jié)合成共價鍵，大量的硅原子以這種方式互相結(jié)合，形成結(jié)構(gòu)規(guī)律的晶體。如果給它加入砷（或磷），砷最外層有5個電子，其中4個電子也會跟硅原子的4個價電子結(jié)合成共價鍵，把砷原子固定在硅材料的晶格中。此時會多出1個自由電子，這個電子躍遷至導(dǎo)帶所需的能量較低，容易在硅晶格中移動，從而產(chǎn)生電流。這種摻入了能提供多余電子的雜質(zhì)而獲得導(dǎo)電能力的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，“N”為Negative，代表帶負(fù)電荷的意思。如果我們在純硅中摻入硼（B），因?yàn)榕鸬膬r電子只有3個，要跟硅原子的4個價電子結(jié)合成共價鍵，就需要吸引另外的1個電子過來，這樣就會形成一個空穴，作為額外引入的載流子，提供導(dǎo)電能力。這種摻入可提供空穴的雜質(zhì)后的半導(dǎo)體，叫做P型半導(dǎo)體，“P”是Positive，代表帶來正電荷的意思。

需要注意的是，摻入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體中仍然同時具有電子和空穴這兩種載流子，只是各自數(shù)量不同。在N型半導(dǎo)體中，電子（帶負(fù)電荷）居多，叫多數(shù)載流子，空穴（帶正電荷）叫少數(shù)載流子。在P型半導(dǎo)體中，則反之：空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子；可以分別簡稱為“多子”、“少子”。2100433B