导电聚合物/无机纳米晶复合材料及器件的制备与表征

摘要

红外材料与器件在光纤通讯、热成像、生物成像以及太阳电池等领域有重要而广泛的应用。关于导电聚合物/无机量子点红外复合材料与器件的研究在国内外还刚刚起步,而且器件的性能都比较低。研究复合材料中的能量转移以及器件中载流子的输运等问题,可以为如何提高材料的发光效率以及光伏性能提供物理依据。本研究制备了MEH-PPV/PbS、InP量子点近红外复合材料,并首次成功制备了A1/MEH-PPV(InP)/ITO可见-近红外光探测二极管。利用准原位透射光谱、准原位荧光光谱等手段,成功观测到从MEH-PPV到PbS量子点的Dexter能量转移率随量子点粒径的变化,并且证明了光学禁止跃迁对Dexter能量转移过程的影响。利用自行设计并构建的渡越时间测量系统,研究了A1/MEH-PPV(InP)/ITO二极管中的载流子迁移率。本研究主要内容如下：
　　 ⑴发展了在导电聚合物MEH-PPV中直接低温合成PbS量子点的新工艺,并且可以通过控制反应时间等方法来调节量子点的粒径大小和分布。70℃下,在MEH-PPV甲苯溶液中,直接复合了直径在2.5nm～3nm的PbS小量子点。通过对一系列具有不同粒径PbS量子点复合材料的准原位吸收谱和光致发光谱(PL)分析,我们发现,随量子点粒径的增大,MEH-PPV的PL强度经历了一个逐渐减小再逐渐增大然后又逐渐减小的过程。PbS量子点直径为2.65nm时,PL强度出现极大值。结合对PbS量子点能级结构的理论计算,我们发现,当量子点粒径为2.65 nm时,量子点激子基态和第一光学禁止跃迁与MEH-PPV的发射谱之间的交叠最小,引起了最小的能量转移率。这一发现有助于理解聚合物-量子点复合材料器件的工作特性。
　　 ⑵设计了用于监测PbS纳米晶生长的原位透射光谱系统。在水相合成中,如加入SDS,会生成PbS纳米线,否则只形成PbS纳米点。我们发现,在其他反应条件相同的情况下,随着反应的进行,PbS纳米点的吸收峰波长比PbS纳米线的红移快得多。由于纳米线的吸收峰波长是由纳米线的横向尺寸限制决定的,该现象的发现直接证明了:在PbS纳米线生长过程中,在纳米线的纵向上的生长速率比横向的快。
　　 ⑶虽然CdS,PbS,PbSe等纳米晶的合成技术比较成熟,但这些材料中含有有毒元素,有必要开发出环境友好型材料。为此,我们选择了InP。采用有机相高温合成技术,我们成功制备了InP量子点,并且用ZnS对InP量子点进行包裹,以提高量子点的发光效率。将InP量子点与MEH-PPV复合后,加工出结构为ITO/MEH-PPV(InP)/A1光探测二极管。器件的Ⅳ特性显示,MEH-PPV(InP)复合材料的电导率比MEH-PPV的有显著提高。
　　 ⑷设计并构建了变温和变电压渡越时间(TOF)测量系统。利用该系统,对A1/MEH-PPV(InP)量子点/ITO光二极管TOF进行了分析。结果表明,聚合物和复合材料的迁移率都满足高斯无序模型。与纯MEH-PPV情形相比,复合材料的位置无序度没有明显变化,但是其能量无序度明显展宽。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

第1节 导电聚合物概述

1.1.1 导电聚合物的发现和发展

1.1.2 导电聚合物简介

第2节 半导体纳米晶概述

1.2.1 半导体纳米品的性质

1.2.2 半导体纳米晶制各方法

第3节 导电聚合物/无机纳米晶复合材料的研究进展和现状

1.3.1 导电聚合物与无机纳米品的复合优势

1.3.2 纳米复合材料的制备方法

1.3.3 导电聚合物/无机纳米晶复合材料的应用

第4节 本论文研究的目的、内容及方法

1.4.1 研究目的和内容

1.4.2 研究方法

第2章 MEH-PPV/PbS量子点的能量转移

第1节 引言

2.1.1 MEH-PPV/PbS量子点复合材料研究概况

2.1.2 能量转移概述

2.1.3 内容和目的

第2节 制备过程

2.2.1 实验试剂

2.2.2 仪器和设备

2.2.3 实验步骤

第3节 测试和表征

2.3.1 反应6分钟时产物的XRD检测

2.3.2 准原位吸收谱和荧光谱

第4节 球形PbS量子点计算模型

2.4.1 有限深势阱情况下能级理论的推导

2.4.2 计算结果

第5节 分析与讨论

第6节 本章小结

第3章 PbS纳米线和纳米点生长的原位透射谱分析

第1节 引言

3.1.1 液相控制合成和生长机理

3.1.2 模板控制合成机理

3.1.3 前人的实验结果和我们研究的意义

第2节 实验部分

3.2.1 实验设计

3.2.2 实验试剂

3.2.3 仪器和设备

3.2.4 实验步骤

第3节 结果与分析

3.3.1 PbS纳米线生长的演化吸收谱

3.3.2 PbS纳米点生长的演化吸收谱

第4节 本章小结

第4章 MEH-PPV/InP量子点及器件的制备与表征

第1节 InP晕子点研究进展

4.1.1 InP纳米晶研究概述

4.1.2 InP的基本性质[90]

4.1.3 目的与方法

第2节 InP量子点的合成与表征

4.2.1 实验部分

4.2.2 InP量子点的表征和讨论

第3节 MEH-PPV/InP量子点复合材料的制备与表征

4.3.1 复合

4.3.1 复合材料的表征

第4节 MEH-PPV/InP量子点复合材料器件的加工与表征

4.4.1 器件结构

4.4.2 器件加工过程和步骤

4.4.3 复合材料器件的表征

第5节 本章小节

第5章 MEH-PPV/InP量子点复合材料的渡越时间分析

第1节 引言

5.1.1 导电聚合物中的载流子迁移和迁移率

5.1.2 导电聚合物中迁移率的测量

5.1.3 非晶体系载流子迁移的理论模型

5.1.4 意义、目的和创新点

第2节 渡越时间技术装置要求和检测技巧

5.2.1 榆测电路和装置

5.2.2 渡越时间检测的基本要求

5.2.3 渡越时间检测实际操作中的要求和技巧

第3节 、渡越时间检测结果和分析

5.3.1 MEH-PPV薄膜的渡越时间检测结果

5.3.2 MEH-PPV/InP薄膜的渡越时间结果

第4节 本章小节

第6章 总结与展望

第1节 全文总结

第2节 展望

参考文献

致谢

个人简历