有机半导体材料电学性质及载流子浓度的计算和分析

摘要

自第一个有机半导体发光器件诞生之后，有机半导体吸引了越来越多人的关注，人们采用有机共轭聚合物制成了有机电致发光管和场效应管。如今有机半导体器件已经广泛应用于各行各业之中，在汽车立体声系统、平板显示器、手机、照明等领域更是得到大规模应用。在研究进程中，提高器件的光电性能一直是我们追求的目标，而影响器件性能的关键因素便是有机半导体薄膜中的电荷输运机理。尽管人们在实验上和理论上对有机半导体材料的光电子效应和电荷输运机理进行了大量的研究，并取得了一定的研究成果，但是至今仍然没有一个统一的理论模型能对不同的有机半导体薄膜材料的电学实验数据进行较好的解释。因此，在有机半导体材料的理论模拟研究这方面，仍需进一步的研究和探索。 有机半导体薄膜材料电荷输运机理中最重要的因素是电荷载流子迁移率μ，它决定了材料的导电特性，并且会进一步影响有机半导体器件的电学性能。有机材料中的电荷载流子的输运，可以看作是从一个分子团到另一个分子团的跳跃，我们可以称其为跳跃过程(hopping process)。对于这一输运过程，人们提出了各种各样的模型，从早期的莫特-古夸(Mott-Gurney)方程，到如今考虑了诸多影响因素的复杂模型，大家都在寻求一种较好的理论模型来解释这一输运过程。Pasveer等人提出了使用高斯态密度模型的考虑了温度、载流子浓度、电场影响因素的电荷输运模型，用来解释OLED和FET中有机半导体薄膜的电荷输运过程。到目前为止，这一模型能够比较好地解释有机半导体材料及其器件的J-V特性。 但是，我们注意到至今没有文献研究和讨论这些理论模型的数值模拟计算方法。因此，本文以Pasveer的模型为基础，研究和讨论了如何对有机半导体中的这一类模型进行数值模拟计算。文中我们依据有机半导体的物理过程提出了以非均匀离散化和牛顿迭代法共同求解模型中的非线性微积分方程组。考虑到初始载流子浓度p0的未知性，我们采取了能量最小化原理把有机半导体薄膜电荷输运这一过程的系统总能量函数化，并依据系统能量最低时系统最稳定的特点，准确地估算了p0的一个精确范围。根据估算的载流子浓度初值计算出的J-V关系特性和相关文献中的实验数据保持了很好的一致性，再一次证明了估算结果的正确性。同时也说明了能量最小化原理在有机半导体理论研究中的适用性，这也为我们的理论模拟计算提供了一个有利的工具。最后，我们计算了NRS-PPV和OC1C10-PPV两种有机聚合物薄膜材料的各项电学性质，并分析了其电荷输运过程。计算结果对实验有一定指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1引言

1.2有机电致发光技术的研究现状

1.3本文的研究内容

第二章 电致发光理论

2.1发光物理基础

2.1.1基态和激发态

2.1.2吸收与发射

2.1.3分子的电荷转移

2.2有机材料中的电子过程

2.2.1有机材料的分类

2.2.2高分子分类及其结构特征

2.2.3分子轨道理论、σ电子与π电子

2.2.4有机材料的电导

2.3有机电致发光和有机半导体基本原理

2.3.1有机半导体的能带

2.3.2有机半导体材料中的载流子

2.3.3有机半导体材料中的载流子的迁移率

2.3.4直流注入式有机电致发光

第三章 电致发光器件常用结构及物理过程

3.1单层结构器件

3.2双层器件

3.3三层器件及多层器件

3.4有机半导体薄膜的物理过程

第四章 载流子的输运过程

4.1理想绝缘体的空间电荷限制电流

4.2一种载流子注入时的空间电荷限制电流

4.3欧姆接触原理

第五章 载流子迁移理论模型及其数值计算和分析

5.1载流子迁移理论模型

5.2数值模拟计算简介

5.3数值模拟计算方法

5.3.1均匀离散化和牛顿迭代法

5.3.2非均匀离散化和牛顿迭代法

5.4能量最小化原理的应用

5.5计算结果及分析比较

第六章 主要结论

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果