了得網工業技術_有機納米與分子器件（下卷）

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高等院校化學、材料、物理和信息等專業高年級本科生、研究生以及研究院所科研人員

內容簡介

分子（納米）器件包括分子（納米）尺度的器件和分子（納米）材料在器件中的應用[也稱分子（納米）材料器件]兩大類別。有機分子（納米）材料是其主要材料基礎。具有光、電、磁功能的分子（納米）材料及其器件的研究是材料領域的重要前沿課題。
《有機納米與分子器件（下卷）》分兩卷，共17章，較全面地介紹了目前有機納米與分子器件前沿領域的重要研究結果。主要包括分子材料、納米材料的設計、合成、器件的物理基礎和載流子傳輸理論，分子尺度器件，以及有機發光二極管、有機太陽能電池、有機場效應晶體管、生物傳感器等分子（納米）材料器件。並且對該領域未來的發展進行了展望。

目錄
《納米科學與技術》叢書序
序
前言
上卷
第1章有機功能分子（π共輒分子）的設計和合成 1
1.1 稠環芳是 1
1.1.1 一維線型多並苯類化合物 1
1.1.2 納米石墨烯分子 4
1.1.3 曲面稠環芳烴分子 17
1.2 含有雜原子的共輒體繫 25
1.2.1 含素的共輒體繫 26
1.2.2 含素的共輒體繫 40
1.3 電子給體受體功能分子 45
1.4 小結 45
參考文獻 45
第2章有機共軛材料中的載流子傳輸理論 57
2.1 引言 57
2.1.1 有機半導體中的電荷傳輸理論簡介 57
2.1.2 影響遷移率的因素 60
2.2 局域跳躍機制下理論預測載流子遷移率 62
2.2.1 電荷轉移速率理論：從經典到量子 63
2.2.2 電荷擴散模擬 64
2.2.3 電荷傳輸參數的計算 65
2.2.4 基於經典速率公式和近似擴散繫數的研究 69
2.2.5 分子尺度以及晶體結構對遷移率的影響 73
2.2.6 高遷移率的分子設計思路 76
2.2.7 量子核隧穿效應以及超越微擾論 77
2.3 小極化子機制：基於Holstein-Peierls 模型的**性描述 80
2.3.1 茶單晶的Holstein-Peierls 模型 81
2.3.2 分子內及分子間振動的地位 82
2.3.3 溫度和壓強效應 82
2.4 總結與展望 84
參考文獻 85
第3章有機納米和分子器件物理與研究方法 90
3.1 引言 90
3.2 載流子 91
3.3 有機納米和分於器件中的兩種物理現像 93
3.3.1 庫侖阻塞與庫侖臺階 93
3.3.2 近籐效應 95
3.4 分子器件的研究方法 97
3.4.1 1B膜技術 97
3.4.2 掃描隧道顯微鏡技術 98
3.4.3 納米間隙電極 101
3.4.4 其他方法 104
3.5 總結與展望 106
參考文獻 106
第4章碳納米曹 109
4.1 碳納米管簡介 109
4.2 碳納米管的結構與性質 111
4.2.1 碳納米管的幾何結構 111
4.2.2 單壁碳納米管的布裡淵區 114
4.2.3 碳納米管的性質 116
4.3 碳納米管的制備 118
4.3.1 單璧碳納米管的制備 119
4.3.2 陣列多壁碳納米管制備 122
4.4 碳納米管的化學 124
4.4.1 碳納米管的共價化學 124
4.4.2 碳納米管的非共價化學 131
4.4.3 碳納米管的管內填充 135
4.4.4 碳納米管的化學組裝與自組裝 137
4.5 碳納米管的應用 142
4.5.1 碳納米管場效應晶體管(CNTFET) 142
4.5.2 碳納米管傳感器 146
4.5.3 碳納米管在鈕離子電池中的應用 149
4.5.4 碳納米管在生物醫學中的應用 152
4.6 存在問題與發展趨勢 156
參考文獻 158
第5章石墨烯 172
5.1 簡介 172
5.1.1 石墨烯的結構與物理性質 172
5.1.2 石墨烯的化學性質 175
5.1.3 石墨烯的制備 179
5.2 影響石墨烯場效應晶體管性能的因素 181
5.2.1 襯底 184
5.2.2 石墨烯與金屬電極的接觸 187
5.2.3 晶界對石墨烯性質的影響 194
5.2.4 大面積單晶石墨烯的制備 207
5.2.5 石墨烯的轉移 227
5.3 石墨烯電學性能的調控 229
5.3.1 石墨烯的p 型摻雜 230
5.3.2 石墨烯的n 型摻雜 232
5.3.3 石墨烯的帶隙調控 235
5.4 總結與展望 236
參考文獻 237
第6章有機單分子器件 262
6.1 引言 262
6.2 基於金屬電極的單分子器件 263
6.2.1 金屬電極對的制備方法 263
6.2.2 雙電極單分子器件 267
6.2.3 三電極單分子器件 271
6.2.4 復合器件 274
6.3 碳基電極的單分子器件 277
6.3.1 碳納米管電極對制備法 277
6.3.2 新一代的碳基單分子晶體管 279
6.3.3 單分子層晶體管 285
6.3.4 第二代石墨烯基的單分子器件 288
6.4 單分子邏輯器件 289
6.4.1 分子開關 290
6.4.2 單分子處理器 295
6.4.3 單分子環振蕩椿 297
6.5 挑戰和機遇 299
參考文獻 300
第7章有機光電高密度信息存儲材料和器件 313
7.1 引言 313
7.2 高密度電信息存儲 314
7.2.1 高密度電信息存儲材料研究進展 314
7.2.2 高密度電信息存儲技術研究進展 324
7.3 高密度光信息存儲 327
7.3.1 高密度光信息存儲材料 327
7.3.2 高密度光存儲技術 337
7.4 多功能存儲 342
7.4.1 多位信息存儲 342
7.4.2 多模式存儲 346
7.5 光電高密度信息存儲發展展望 352
參考文獻 353
第8章有機發光二極管 362
8.1 引言 362
8.2 有機發光二極管的基礎知識 363
8.2.1 有機發光二極管的發展歷程 363
8.2.2 有機發光二極管的結構 364
8.2.3 有機發光二極管的應用簡介 367
8.2.4 有機發光二極管的制備 369
8.2.5 有機發光三極管的基礎物理 371
8.2.6 有機發光二極管的性能指標 374
8.3 有機發光二極管在材料和器件研究方面的新進展 376
8.3.1 紅光材料 376
8.3.2 綠光材料 387
8.3.3 藍光材料 390
8.3.4 白光材料 397
8.3.5 紫外光和紅外光材料 401
8.3.6 熱活化延遲熒光材料 402
8.3.7 載流子傳輸、阻擋材料 406
8.3.8 熒光和磷光主體材料 413
8.3.9 白光器件 417
8.3.10 改善載流子的注入 418
8.3.11 改善載流子的傳輸 419
8.3.12 增加出射光的外耦合效率 420
8.3.13 有機發光二極管的顏色調節 422
8.3.14 改善有機發光二極管的對比皮 424
8.3.15 提高有機發光二極管的壽命 424
8.4 總結與展望 425
參考文獻 427
第9章有機太陽能電池 446
9.1 引言 446
9.2 聚合物太陽能電池 447
9.2.1 基本原理 447
9.2.2 性能參數 447
9.2.3 分類 449
9.2.4 有機光伏材料 452
9.3 染料敏化納晶太陽能電池 457
9.3.1 染料敏化電池研究起源 457
9.3.2 電池結構與工作原理 458
9.3.3 提高電池光電流 460
9.3.4 提高電池光電壓 463
9.3.5 提高電池填充因子 465
9.3.6 提高電池穩定性 467
9.3.7 其他類型太陽能電池 473
參考文獻 474
索引 481
彩圖
下卷
第10章有機場效應晶體管 487
10.1 有機場效應晶體管簡介 487
10.2 OFETs基本原理 487
10.2.1 OFETs的結構 487
10.2.2 OFETs工作原理 488
10.2.3 OFETs的分類 490
10.2.4 OFETs的性能 491
10.2.5 有機半導體材料 494
10.2.6 OFETs的介電層 505
10.2.7 OFETs的電極材料 513
10.2.8 OFETs的制備技術 515
10.2.9 影響OFETs性能的因素 519
10.2.10 OFETs的應用 523
10.3 總結與展望 528
參考文獻 530
第11章有機微/納場效應晶體管 541
11.1 有機半導體微/納結構的制備 541
11.1.1 氣相法 541
11.1.2 液相法 545
11.1.3 其他方法 556
11.2 有機微/納場效應晶體管的結構 560
11.3 有機微/納場效應晶體管的制備 562
11.3.1 有機微/納結構的轉移 562
11.3.2 有機半導體微/納晶體場效應晶體管電極制備 566
11.4 有機微/納場效應晶體管的性能 572
11.5 有機微/納場效應晶體管的應用 577
11.6 總結與展望 580
參考文獻 580
第12章有機光導體及應用 586
12.1 背景介紹 586
12.1.1 靜電照相技術的歷史 586
12.1.2 靜電照相過程簡介 587
12.1.3 靜電照相的原理 587
12.2 有機光導體 589
12.3 有機光導材料 590
12.3.1 酞菁顏料 592
12.3.2 偶氮顏料 595
12.3.3 方酸類顏料 596
12.3.4 苝繫顏料 596
12.3.5 電荷轉移復合物 597
12.4 有機光導材料的光導機理 597
12.4.1 光生機理的定義和模型 597
12.4.2 光誘導電子轉移反應 598
12.5 納米有機光導材料 599
12.6 機會與前景 600
參考文獻 601
第13章分子磁性材料與器件 605
13.1 物質磁性的基本知識 606
13.1.1 物質的磁性 606
13.1.2 居裡-外斯定律 607
13.1.3 磁體 609
13.2 三維磁體 611
13.2.1 分子基三維磁體的發現 611
13.2.2 氨基橋聯分子基磁體 614
13.2.3 疊氮根橋聯的分子基磁體 617
13.2.4 含有其他橋聯配體的三維磁體 617
13.3 高低自旋轉換分子材料 619
13.3.1 熱致自旋轉換化合物 620
13.3.2 光致自旋轉換化合物 623
13.4 單分子磁體和單鏈磁體 628
13.4.1 單分子磁體 629
13.4.2 單鏈磁體 640
13.5 手性分子磁體 647
13.5.1 具有於性結構的氧氮自由基橋聯分子磁體 648
13.5.2 具有手性結構的疊氮橋聯分子磁體 648
13.5.3 具有手性結構的氟基橋聯分子磁體 650
13.5.4 具有於性結構的羧酸橋聯分子磁體 653
參考文獻 653
第14章有機非線性光學材料 662
14.1 非線性光學簡介 662
14.2 有機二階非線性光學發色團 663
14.2.1 有機二階非線性光學發色團發展歷史及相關理論 664
14.2.2 兼具大的

在線試讀

第10章有機場效應晶體管
王鷹於貴劉雲圻
10.1 有機場效應晶體管簡介
在過去的數十年裡，場效應晶體管作為今天通信和信息技術的基石，對技術的進步產生了深遠的影響，它的應用明顯地改變了我們現在的生活方式。自1947年John Bardeen、William Shockley和Walter Brattain發明世界上**個晶體管以來，無機半導體材料（例如硅和砷化鎵）基薄膜晶體管成為電子工業的主流。然而無機硅技術等需要采用光刻和真空沉積，在超淨室內高溫實現，導致其工藝復雜，成本高昂。作為有機電路中無機晶體管類似物的有機場效應晶體管(organic field-effect transistors，OFETs)是一種電壓控制器件，它根據柵電極是否施加柵壓，可以用作開關，從而實現0或者1的邏輯功能。由於其易於制備，有機材料良好的彈性和與柔性襯底良好的相容性，可以作為廉價柔性電子電路的主要組成部分，用於制備射頻標簽、柔性顯示、電子紙和大面積傳感器。自1986年**次報道有機薄膜晶體管以來，該領域越來越受到研究者們的關注，發表了大量關於有機小分子和聚合物薄膜晶體管的研究論文，同時研究者們已經制備出驅動顯示器、智能卡、價格卷標、貨物卷標，或者大面積傳感器等產品的原型器件，在不久將會投入市場[4-7]。
10.2 OFETs基本原理
10.2.1 OFETs的結構
OFETs的基本結構類似於單晶或多晶無機半導體場效應晶體管，器件主要有三個重要組成部分：電極（源極、漏極和柵極），有機半導體，介電層。這三部分根據不同沉積順序形成了不同的器件結構（圖10.1）：底柵極結構和頂柵極結構。在**種結構中，源漏電極被沉積到半導體的上面（上電極結構）或半導體沉積到源漏電極和介電層上（下電極結構）；在頂柵極結構中，柵極沉積於半導體層介電層上面。組成相同但結構不同的器件其性能相差較大，對於底柵極/上電極結構的場效應器件，由於源漏電極與有機半導體易於形成良好接觸，半導體可以在良好的介電層表面形成良好的膜，器件的性能往往較高，是研究中*為普遍采用的器件構型。源漏溝道長(L)一般為10～100μm，溝道寬(W)通常為100μm～1mm。器件結構的不同產生的主要差異為載流子注入電極與柵極的相對位置。在下電極/底柵極結構中，載流子直接注入到處於半導體-介電層界面的累積層載流子通道中；在另外兩種結構中，半導體層將源漏電極和導電通道隔開。於是，載流子在到達導電通道前首先要穿過幾十納米厚的未經摻雜的半導體。然而，在堆積的下電極/頂柵極結構和上電極/底柵極結構中，載流子不僅可以從電極邊注入，而且也可以從電極與柵極交疊的部分注入。
圖10.1 OFETs的不同結構
10.2.2 OFETs工作原理
OFETs的工作原理類似於金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，其基本工作區域和相關的電流-電壓特性如圖10.2所示。OFETs可以看作是一個由柵極和半導體層構成的平板電容器，在源漏電極之間不存在電位差，電壓V。施加於柵極形成簡單的金屬-介電層-半導體二極管。當施加的柵壓為正，靜電誘導帶負電的載流子（電子）在介電層/半導體界面累積；而當施加的柵壓為負時，荷正電的載流子（空穴）將會在介電層/半導體界面暴積。累積的載流子的數目正比於柵壓和介電層的電容。然而並不是所有靜電誘導的電荷均可移動，隻有施加大於閾值電壓VTh的柵壓從而產生有效柵壓Vg - VTh，纔能在介電層/半導體界面存在可移動的載流子促成OFETs的電流。
圖10.2 場效應晶體管施加電壓的示意圖和其工作原理圖
當未施加源漏電壓時，在晶體管溝道中的載流子濃度是均勻的。當施加小的源漏電壓時，從注入載流子的源極到接受載流子的漏極間形成了載流子密度的線性梯度。這就是線性區，在該區域流過溝道的電流與成正比。溝道中的電位V(z)由源極到漏極線性增加。
當源漏電壓進一步增加，達到時，溝道被夾斷。也就是說由於局部電位V(z)和柵壓的差低於閾值電壓，在漏極附近形成了耗盡區。在耗盡區，由於相對較高的電場的作用，載流子經過夾斷點到達漏極，形成了空間電荷限制飽和電流流過狹窄的耗盡區。進一步增大源漏電壓，將不會顯著增大該電流，反而會使耗盡區進一步擴大，導電溝道變窄。由於在夾斷點處電位保持，源極與夾斷點處的電位差基本保持不變，電流達到飽和，其值為，
10.2.3 OFETs的分類
一般來說，OFETs開狀態下器件的導電溝道中的主要載流子可以是空穴、電子或者空穴和電子兩種載流子。由於器件的半導體材料並不是決定器件導電溝道中主要載流子的**因素，器件的結構，介電層和測試條件等都會影響器件導電溝道中載流子的種類。盡管為了方便比較將半導體分為p型和n型，但有的有機半導體在不同的器件結構和測試條件下，導電溝道中主要載流子會發生變化，因此根據半導體的種類對OFETs分類是不科學的。在這裡我們根據導電溝道中傳輸的載流子類型的不同，可以將OFETs分為三類：p型OFETs，n型OFETs和雙極性OFETs。
對於p型OFETs來說，在柵壓比閾值電壓更正時，在介電層和半導體層界面沒有誘導產生足量載流子以形成導電溝道，器件處於關態；當柵壓比閾值電壓更負時，在介電層和半導體層界面將會靜電誘導產生大量的空穴，使導電溝道導通，此時器件處於開態，導電溝道中傳輸的主要載流子為空穴。該類OFETs主要采用傳統的傳輸空穴的有機半導體作為半導體材料，例如酞菁銅、聚噻吩和並五苯等，以金為源漏電極。
對於n型OFETs來說，在柵壓比閾值電壓更負時，在介電層和半導體屢界面沒有誘導產生足量載流子以形成導電溝道，器件處於關態；當柵壓比閾值電壓更正時，在介電層和半導體層界面將會靜電誘導產生大量的電子，使導電溝道導通，此時器件處於開態，導電溝道中傳輸的主要載流子為電子。該類OFETs主要采用傳統的傳輸電子的有機半導體作為半導體材料，例如全氟酞菁銅等一些氟取代化合物、C60衍生物和苝的衍生物等，以鈣、鋁等一些低功函的金屬為源漏電極。研究者們也通過改變器件結構用並五苯等傳統上認為是傳輸空穴的有機半導體制備出n型OFETs。
對於雙極性OFETs來說，根據施加Vg的不同，空穴和電子都可以在導電溝道中累積和傳輸（圖10.3）。當施加正的Vg（即Vg>Vs）時，如果(Th.e對應電子開始積累時的閾值電壓)，電子將會在有機半導體/絕緣層界面積累並向漏極擴散，溝道中隻有一種電荷；相反，當時，如果（VTh.n對應空穴開始積累時的閾值電壓），源極不會注入電子，漏極將會注入空穴；如果Vg介於眠和V之間，在Vg>Th.e的同時滿足源極和漏極都會注入載流子，導電溝道中會存在空穴和電子。該類OFETs可采用既可傳輸電子、又可傳輸空穴的雙極性有機半導體（如聚3，9-二特丁基茚並1，2-b芴等）作為半導體材料，但該類化合物比較少。為了制備雙極性OFETs，研究者們通過改變器件結構等，如采用混合有機半導體或者傳輸電子有機半導體/傳輸空穴有機半導體的雙層膜作為OFETs的半導體層。基於這些混合膜和多層膜，OFETs又出現了一些新的性質，也是人們研究的熱點，例如OFETs器件可以發光來形成發光OFETs，有些OFETs還具有光伏性質等。
圖10.3
(a)有機雙極性場效應晶體管中源極、漏極和柵極電位；(b)有機雙極性場效應晶體管溝道電位圖；(c)有機雙極性場效應晶體管的轉移曲線；(d)有機雙極性場效應晶體管的輸出曲線
10.2.4 OFETs的性能
假定梯度溝道近似（即由柵壓產生的垂直與電流流動方向的電場遠大於由源漏電壓產生的平行於電流流動方向的電場），可以表達器件在不同工作區工作的電壓-電流曲線。
當柵壓大於閾值電壓時，在源電極處誘導的單位面積移動的載流子與柵壓存在關繫
(10.1)
式中，為單位面積介電層的電容。在上式中溝道電勢假定為。然而，誘導的電荷密度沿溝道存在如下關繫
(10.2)
忽略擴散，載流子引起的源漏電流可表達為
(10.3)
其中，為溝道寬，為載流子遷移率，為在處的電場強度。將和式(10.2)代人式(10.3)得到
因此假定遷移率與電荷密度和柵壓無關，電流由到積分，可以得到源漏電流的表達式
如果施加較小的源漏電壓，OFETs在線性區工作，式(10.5)可簡化為
(10.6)
從上式可以看出，在線性區源漏電流與成正比。於是線性區場效應遷移率可以由Va。恆定的斜率導出
(10.7)
當時，導電溝道夾斷，電流不再顯著增大，達到飽和。忽略由於在源極處存在耗盡區引起溝道變短，用取代式(10.5)中的，則飽和電流的表達式為
(10.8)
假定遷移率不隨柵壓的變化而改變，從上式可以看出，在飽和區，飽和電流的平方根正比於柵壓
(10.9)
因此在飽和區的遷移率可以根據曲線。的斜率求得。如果柵壓的改變會引起遷移率的變化，那麼遷移率可以表達為
(10.10)
OFETs一般采用兩種方式表征：恆定柵壓時掃描源漏電壓和恆定源漏電壓掃描柵壓。因此可以得到如圖10.4所示OFETs器件的輸出曲線和低源漏電壓下在線性區工作和高源漏電壓下在飽和區工作的轉移曲線。除了遷移率，金屬氧化物場效應晶體管理論中的開關比、閾值電壓和亞閾值斜率等性能參數都被引進到有機場效應晶體管領域，用以評價OFETs的性能。
閾值電壓是衡量開啟FET導電溝道通過靜電感應產生的載流子的數目的一個參數。它可以通過器件在線性區和飽和區的轉移曲線求得。該值的大小主要依賴幾個主要的因素：有機半導體和介電層間表面的電荷勢阱的密度，源漏電極

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