掺杂有机半导体的电传导特性及其在光电器件中的应用

Organic semiconductor, as an alternative for inorganic one, has been broadly used in the field of modern photo electronic devices owing to their many advantages such as easy synthesizing, cheap cost, light weight etc. However, the electric properties such as carrier mobility in organic semiconductors is relative weak owing to the charge hopping transport means between molecules via Van der Waals and dipole-dipole interactions. By controlled and suitable doping in organic semiconductors, it is possible for realization of improved electric properties, reduced contact barrier at organic/metal interface, and even controlled energy level alignments between different materials, which is desirable for improving the performance of organic electronic devices. Past studies in the field of doped-organic semiconductors mainly focus on the improvement of device performance, and the studies about the physical properties in doped-organic semiconductors and physical mechanisms in doped-organic electronics devices are few and still developing. This project will carry out an investigation of the physical properties in doped small molecular organic semiconductors. In details, we will mainly investigate the diffenerce of doping mechanisms between the inorganic and organic p-doants via comparing their doping effects on the changes of electric structure, charge interactions, charge conducting characteristics, carrier barrier at organic/metal, interfacial electronic structure, interfacial states and so on using advanced evaluating techniques such as X-ray and ultra-violet (UV) photoemission spectroscopy. The understanding of the nature of inorganic and organic p-type doping, the physical properties in doped-organic semiconductors and physical mechanisms in doped-organic electronics devices would be useful to improve the material design and control of doped-organic semiconductors, and the performance of doped-organic electronic devices.

有机半导体材料以其原料易得、廉价、重量轻等优点，在现代光电子器件中得到了广泛的应用。但由于有机半导体内分子间微弱的范德华力，电荷在分子间的传递要通过"跳跃"的方式完成，导致其相对较弱的电导特性。通过掺杂，可增强有机半导体材料的电学特性、减少有机层与电极的接触势垒、操控界面处能级的匹配等。过去国内外关于掺杂有机半导体材料及器件的研究，多集中于器件性能的提高，关于其物性以及相应物理机制的研究则相对缓慢。本项目拟对掺杂有机小分子材料展开物性方面的基础研究，通过研究不同类型有机客体、无机客体p型掺杂对有机半导体材料的电子结构、载流子、电荷的传输特性、金属/有机、有机/有机界面化学的影响状况等，力求在对比研究的基础上探索有机掺杂与无机掺杂机理上的本质不同，理解有机半导体掺杂的一些基本机制，为进一步提高有机光电器件的性能提供思路和依据。

本项目主要对掺杂有机小分子材料展开物性方面的基础研究，通过研究不同类型有机客体、无机客体 p 型掺杂对有机半导体材料的电子结构、载流子、电荷的传输特性、金属/有机、有机/有机界面化学的影响状况等，在对比研究的基础上探索有机掺杂与无机掺杂机理上的本质不同，理解有机半导体掺杂的一些基本机制，为进一步提高有机光电器件的性能提供思路和依据。. 在有机/无机半导体掺杂机制与物性分析方面，利用基于流压特性曲线的差分法（Differential Method），研究了有机半导体薄膜中的缺陷、trap 密度及分布，对器件性能的影响，并用于评价器件的老化机制等；利用X线光电子能谱（XPS）、In-situ紫外光电子能谱（UPS）技术研究了掺杂有机半导体中的电子结构、电荷转移以及载流子传输特性等；利用同步辐射 X 射线衍射和X 射线小角散射原位实时表征，研究了钙钛矿薄膜的微结构、缺陷和形貌等晶体薄膜特性。. 在有机半导体光电器件方面，开发出了高效、长寿命、低成本的掺杂OLED器件，并用于制备基于溶液旋涂的单层OLED器件；开发出多种基于水溶液旋涂的过渡金属氧化物材料，可用于制备大面积、柔性有机光电器件；开发出有机/无机杂化导电布拉格反射镜（DBRs），可用于构建电泵浦有机垂直腔面发射激光器谐振腔；开发出水添加剂、界面辅助晶化、种子诱导晶化等方法可控生长钙钛矿晶体薄膜，使得有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提高到18.48%；开发出Pb-In二元金属钙钛矿太阳能电池，器件效率和稳定性提高的同时，降低了Pb的使用量。. 综上所述，本项目顺利完成了预定的研究计划，在有机半导体掺杂及器件制备的研究中从物理机制、理论设计到工艺制备、测试技术等方面取得了十分有意义的成果。