盤狀液晶在有機(jī)光電器件中的應(yīng)用

林 飛

(濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東 蓬萊 265600)

盤狀液晶在有機(jī)光電器件中的應(yīng)用

林 飛

(濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院，山東 蓬萊 265600)

本文介紹了盤狀液晶的結(jié)構(gòu)、盤狀液晶的柱狀相、盤狀液晶在基板上的取向以及盤狀液晶分子在有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、有機(jī)光伏器件(OPV)和有機(jī)場效應(yīng)管(OFET)三種有機(jī)光電器件中的應(yīng)用及其工作原理。

盤狀液晶；有機(jī)光電器件；應(yīng)用

美國科學(xué)家艾倫·黑格、艾倫·麥克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹在多年的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過特殊改造之后，塑料能夠表現(xiàn)得像金屬一樣，產(chǎn)生導(dǎo)電性，獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎。三位科學(xué)家一系列原創(chuàng)性活動推動了導(dǎo)電聚合物的研究發(fā)展與應(yīng)用。盤狀液晶分子具有優(yōu)越的自組裝性能，因此在分子電子器件的應(yīng)用中有著巨大的潛在市場。

1 盤狀液晶

液晶主要分為兩大類：熱致性液晶(thermotropic LC)和溶致性液晶(lyotropic LC)。其中，熱致性液晶可以通過改變外界溫度得到。熱致性液晶又根據(jù)其介晶基元幾何形狀的不同分為棒狀和盤狀液晶。溶致性液晶可以通過在某種物質(zhì)中加入特定的溶劑得到。

盤狀液晶分子在結(jié)構(gòu)上主要由兩部分組成：一部分是由π—π共軛結(jié)構(gòu)形成的中心的方向核，π—π結(jié)構(gòu)相互堆疊，自組裝形成有序的一維柱狀結(jié)構(gòu)成為載流子的傳輸通道。另一部分是由脂肪側(cè)鏈(一般為3～6條)形成的外圍柔性部分，脂肪側(cè)鏈成為載流子傳輸通道的絕緣部分，并且增加液晶分子的流動性和溶解性，使液晶分子在制造光電器件時可以采用印刷或涂布等低成本的制造工藝[1]。

盤狀液晶形成的中間相有三種：第一種為盤狀柱狀相(CoLh)，盤狀分子堆砌成一維的柱子，并且柱狀相為盤狀液晶分子最常見的中間相。第二種為盤狀向列相(Nd)，盤狀相列相是有序度最低的一種中間相，其中盤狀分子質(zhì)心無序，僅在法線方向上有序。第三種為盤狀層狀相(CoLl)[2]，目前研究中還未發(fā)現(xiàn)層狀柱狀相。盤狀液晶中間相，如圖1所示。

圖1 盤狀液晶中間相Fig.1 Disc liquid crystal mesophase

2 盤狀液晶在基板上的取向方式

盤狀液晶在不同極性的基板表面由于相互作用的不同，形成兩種不同的取向。第一種取向?yàn)閭?cè)立取向(edge-on)，可以制作有機(jī)場效應(yīng)管，π—π堆疊形成的柱軸與基板是平行關(guān)系。第二種取向?yàn)榇怪比∠?face-on)，可以制作有機(jī)發(fā)光二極管和光伏器件，π—π堆疊形成的柱軸與基板是垂直關(guān)系[1]。

3 盤狀液晶在有機(jī)光電器件中的應(yīng)用

3.1 有機(jī)發(fā)光二極管

有機(jī)發(fā)光二極管的基本結(jié)構(gòu)是三明治結(jié)構(gòu)：與正極相連的銦錫氧化物、發(fā)光層和金屬陰極。當(dāng)給元件兩端加上直流電時，外加電壓驅(qū)動電子(Electron)由陰極注入元件，驅(qū)動空穴(Hole)由陽極注入元件，兩者在傳導(dǎo)中相遇、結(jié)合后形成電子—空穴復(fù)合。當(dāng)外加電壓激發(fā)中間發(fā)光層后，產(chǎn)生的電子自旋和基態(tài)電子成對，釋放熒光；當(dāng)激發(fā)態(tài)電子自旋和基態(tài)電子不是成對而是平行時，釋放磷光。

有些有機(jī)發(fā)光材料被稱為主發(fā)光體，該類發(fā)光材料本身就具有空穴或電子傳輸?shù)墓δ堋＿€有一類材料被稱為摻雜發(fā)光體或是客體發(fā)光，該類材料中摻雜了少量的有機(jī)磷光或者熒光染料，利用摻雜的有機(jī)磷光或者熒光接受主體發(fā)光體的能量轉(zhuǎn)移并且由載流子捕獲發(fā)射出各種不同顏色的光。雖然有機(jī)發(fā)光二極管和普通發(fā)光二極管的發(fā)光原理基本相同，但有機(jī)發(fā)光二極管使用的是有機(jī)材料自身具有的一些優(yōu)異特性。利用有機(jī)發(fā)光材料制造生產(chǎn)的平板顯示器件與普通的顯示器相比，具有面板更薄、對比度高、功耗低、視角寬、重量輕、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，尤其值得一提的優(yōu)勢是有機(jī)發(fā)光材料制作的顯示屏可以像紙一樣彎曲、折疊，甚至可以放在口袋里，掛在墻上，也可以鑲嵌在衣服里作為衣服的一部分，需要時顯示出想要的信息。

在常見的有機(jī)發(fā)光材料中，盤狀液晶分子由于具有較高的熒光量子效率和載流子遷移率，成為制造有機(jī)發(fā)光二極管的理想材料。其中苯并菲被用于設(shè)計合成一系列空穴傳輸材料用于有機(jī)發(fā)光二極管中，有較高電荷遷移率的六苯并蔻類分子被用于設(shè)計合成一系列的p-型半導(dǎo)體材料。

3.2 有機(jī)太陽能電池

另一種常見的有機(jī)光電器件為有機(jī)太陽能電池，它的構(gòu)造與上面提到的有機(jī)發(fā)光二極管的構(gòu)造相似。其基本工作原理為：光照射到有機(jī)活性層后，有機(jī)材料吸收并產(chǎn)生一對束縛在一起的電子空穴對，被稱為激子。兩端電極由于功函數(shù)不同，作用到激子上使其解離并形成載流子，解離形成的載流子定向遷移就形成光電流[3]。

目前利用研究合成的盤狀液晶分子HBC12作為有機(jī)活性層制成的光伏器件，在測試中得到1.95%的光電轉(zhuǎn)換效率。HBC12作為電子給體，PDI(苝二酰亞胺)作為電子受體，器件能量轉(zhuǎn)換率達(dá)到2%，其他盤狀液晶材料均可作為空穴材料用于光伏器件。

3.3 有機(jī)場效應(yīng)晶體管

微電子行業(yè)中還有一種利用電場控制固體材料導(dǎo)電性能的有源器件為場效應(yīng)晶體管。目前無機(jī)場效應(yīng)晶體管由于價格較高，并且用來在制備大表面積器件時仍有諸多問題，因此，人們自然地將注意力轉(zhuǎn)移到尋找合適的有機(jī)材料來作為活性材料制備有機(jī)場效應(yīng)管。1986年報道第一個有機(jī)場效應(yīng)晶體管以來，有機(jī)場效應(yīng)管的研究取得了快速發(fā)展和一系列重大突破。

有機(jī)場效應(yīng)晶體管由源極(source)、漏極(drain)、柵極(gate)、有機(jī)半導(dǎo)體層和柵絕緣層組成。根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)不同可以分為四類：底柵底接觸式、頂柵頂接觸式、頂柵底接觸式和底柵頂接觸式。根據(jù)柵極位置不同劃分為底柵型和頂柵型，當(dāng)柵極沉積到柵絕緣層下方時為底柵；反之，當(dāng)柵極沉積到有機(jī)層和絕緣層上方時為頂柵。根據(jù)有機(jī)層和源漏電極的位置不同劃分為頂接觸式和底接觸式，有機(jī)層先在柵絕緣層上，再在上面沉積源漏電極時為頂接觸式；反之當(dāng)源漏電極和柵絕緣層為有機(jī)層的基底時為底接觸式。結(jié)構(gòu)不同的器件其載流子入注方式不同，同時器件的性能也不同。

可以將有機(jī)場效應(yīng)晶體管看作是一個電容器，其中兩個極板分別為柵極和源、漏極之間的導(dǎo)電溝道，絕緣板為夾在中間的柵絕緣層。電荷由源極注入，由漏極收集，柵極誘導(dǎo)有機(jī)半導(dǎo)體與絕緣層界面產(chǎn)生電荷形成導(dǎo)電溝道。場效應(yīng)管中的門電壓用來控制源極與漏極之間的載流子的傳輸。盤狀液晶分子通過自組裝在基板表面形成的側(cè)立取向的柱狀相，可以為載流子的傳輸提供通道。根據(jù)報道，Müllen[4]利用設(shè)計合成的六苯并蔻分子構(gòu)建了有機(jī)場效應(yīng)管，經(jīng)測試，其場遷移率達(dá)到10-3cm2/V·s，開關(guān)比高達(dá)104 。

4 結(jié)語

利用有機(jī)發(fā)光材料制作得到的光電器件與傳統(tǒng)的器件相比質(zhì)量輕、功耗小，尤其在顯示器制作方面，可以得到超薄可彎曲的顯示器，目前有很好的應(yīng)用前景。在有機(jī)光伏器件的制作中相對較少，而且有機(jī)光電材料在合成和提純方面仍有困難需要克服，盤狀液晶在基板上形成的柱狀堆積有序尺度一般只有納米或微米級，直接通過旋涂等成本比較低的方式在基板上制備的有機(jī)薄膜的長程有序性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到器件所要求的尺度。因此，如何形成宏觀長程有序的一維柱狀堆疊是研究人員未來研究重點(diǎn)。

[1] Chandrasekhar，G S Ranganath. Discotic liquid crystals[J]. Rep. Prog.，1990，(53)： 57.

[2] Chandrasekhar， S.， Prasad，S. K. Recent developments in discotic liquid crystals[J]. Contemp. Phys. 1999，(40)：237 - 245.

[3] 李萌，王傳坤，李晨希，等.基于富勒烯類材料太陽能電池研究進(jìn)展[J]. 電子元件與材料，2013，32(02)：70-76.

[4] Van de Craats, A. M., Stutzmann, N., Bunk, O., Nielsen, M. M., Watson, M., Müllen, K., Chanzy, H. D., Sirringhaus, H., Friend, R. H., Meso-Epitaxial Solution-Growth of Self-Organizing Discotic Liquid-Crystalline Semiconductors[J]. Adv. Mater. 2003， 15(06)：495.

The application of discotic liquid crystal in organic optoelectronic devices

LIN Fei

(University of Jinan Quancheng College, Penglai 265600, China)

This paper introduces the structure of discotic liquid crystal, the columnar phase of discotic liquid crystal, the orientation of discotic liquid crystal on the substrate and the properties of discoid liquid crystal molecules in organic light emitting diode (OLED), organic photovoltaic device (OPV) and organic field (OFET) three kinds of organic optoelectronic devices in the application and its working principle.

Discotic liquid crystal; Organic optoelectronic devices; Application

2017-04-18

林飛(1989-)，女，碩士，助教。

TN104.3

A

1674-8646(2017)14-0042-02