有機(jī)電光材料的太赫茲關(guān)鍵性能研究.pdf

1、太赫茲技術(shù)在通信、雷達(dá)、安檢、射電天文、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中的重要價(jià)值得到當(dāng)今科學(xué)界愈益增加的認(rèn)可。在這一新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，太赫茲輻射產(chǎn)生與檢測(cè)的能力與水平成為推動(dòng)太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。利用電光材料的光整流效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波、電光取樣技術(shù)檢測(cè)太赫茲波，是實(shí)現(xiàn)寬頻帶太赫茲波產(chǎn)生和檢測(cè)的常用方法之一。相比傳統(tǒng)的電光晶體材料，有機(jī)電光材料具有非線性光學(xué)系數(shù)大、響應(yīng)速度快、無聲子吸收帶隙等優(yōu)點(diǎn)，并可根據(jù)需求進(jìn)行分子設(shè)計(jì)、修飾，易于提高材料性能，在

2、太赫茲技術(shù)研究中得到了廣泛的關(guān)注。其中，高數(shù)密度單組分有機(jī)電光材料以其在電光性能方面的巨大潛力，近年來迅速成為電光材料領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。然而，為了使這類材料能夠滿足太赫茲波產(chǎn)生與檢測(cè)的應(yīng)用要求，必須對(duì)包括電光活性、熱穩(wěn)定性和吸收損耗等材料關(guān)鍵性能進(jìn)行進(jìn)一步的綜合優(yōu)化。本文分析了電場(chǎng)極化引入發(fā)色團(tuán)取向過程中的電導(dǎo)機(jī)理，利用固態(tài)器件工程概念減少泄漏電流，提高了單組分有機(jī)電光材料的電光系數(shù)；建立了單組分有機(jī)電光材料固有極化效率的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)地

3、研究了單組分有機(jī)電光發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，拓展了分子結(jié)構(gòu)對(duì)材料重要性能影響的認(rèn)知體系；探索研究了有機(jī)電光材料在太赫茲頻段折射率和吸收系數(shù)的快速表征方法。具體研究?jī)?nèi)容包括：
　　1.苯并環(huán)丁烯阻擋層對(duì)極化過程中器件電導(dǎo)的抑制研究。單組分有機(jī)電光材料由于材料體系中有機(jī)電光發(fā)色團(tuán)數(shù)密度的增加，大大提高了電光性能，但也因此導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的增加，其引發(fā)的泄漏電流在極化過程中限制發(fā)色團(tuán)分子的取向，成為實(shí)現(xiàn)大的電光系數(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)。本文通過

4、對(duì)極化過程中泄漏電流本質(zhì)的理解和器件電導(dǎo)機(jī)理的分析，提出了在電極和電光材料層的交界面引入苯并環(huán)丁烯阻擋層，以阻止電荷注入。研究了阻擋層厚度對(duì)材料電光活性實(shí)現(xiàn)的影響，確定了阻擋層的最優(yōu)厚度區(qū)間。苯并環(huán)丁烯阻擋層的使用，有效降低了極化過程中的泄漏電流或器件電導(dǎo)，保持有效極化電壓與外加電壓近似相等，顯著提高了高數(shù)密度單組分有機(jī)電光材料的電光系數(shù)，所觀察到的最大電光系數(shù)是無阻擋層器件的2倍左右。其中，材料JRD1在極化電場(chǎng)大于85 Vμm-1的

5、條件下，多次測(cè)試的電光系數(shù)超過之前報(bào)道的最大值400 pm V-1，并獲得了目前所報(bào)道的最大電光系數(shù)556 pm V-1。對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明苯并環(huán)丁烯阻擋層對(duì)泄漏電流的抑制度比目前最常用的二氧化鈦?zhàn)钃鯇犹岣吡艘恢羶蓚€(gè)數(shù)量級(jí)。
　　2.單組分有機(jī)電光材料極化效率的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)研究。單組分有機(jī)電光材料的高電導(dǎo)率問題導(dǎo)致極化過程中電場(chǎng)強(qiáng)度的明顯降低，之前沿用的以外加電場(chǎng)強(qiáng)度作為極化電場(chǎng)強(qiáng)度的方法不能準(zhǔn)確計(jì)算此類材料的極化效率。針對(duì)這個(gè)問題，本文提

6、出用極化過程中的平均電場(chǎng)強(qiáng)度作為極化電場(chǎng)值，通過電壓數(shù)據(jù)的分段擬合進(jìn)行計(jì)算。極化電場(chǎng)的這種修正算法充分考慮了極化過程中電場(chǎng)強(qiáng)度下降對(duì)電光系數(shù)的影響，使得從傳統(tǒng)器件的電光特性表征中就能準(zhǔn)確地評(píng)估單組分發(fā)色團(tuán)的實(shí)際電光性能。
　　3.單組分有機(jī)電光發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系研究。單組分有機(jī)電光材料在應(yīng)用中有兩個(gè)潛在的不利條件：一是部分單組分有機(jī)電光發(fā)色團(tuán)易結(jié)晶，發(fā)生相位分離；二是這類材料熱穩(wěn)定性（主要反映在玻璃化溫度）普遍偏低，降低工作裝置

7、的可靠性和壽命。針對(duì)這個(gè)問題，本文研究了有機(jī)電光發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，通過對(duì)現(xiàn)有分子結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)式改變，探索分子修飾對(duì)材料的最大電光系數(shù)、極化效率、玻璃化溫度和電導(dǎo)率等重要參數(shù)的影響。提出采用體積較大的叔丁基二苯基硅烷基團(tuán)對(duì)電子給體進(jìn)行修飾，以促進(jìn)非晶態(tài)薄膜的形成和極化效率的提高。在此基礎(chǔ)上，通過在電子橋上增加咔唑位置隔離基團(tuán)，有效減小了分子間的偶極-偶極相互作用，制備出的材料極化效率約為3 nm2/V2，是目前報(bào)道的最高值，并且玻璃化溫

8、度提高到100?C以上，比已見報(bào)道的同類材料提高了20-40?C。
　　4.超薄聚合物膜在太赫茲頻段的光學(xué)特性研究。有機(jī)電光材料在太赫茲波產(chǎn)生與檢測(cè)中的應(yīng)用需要解決相位匹配和吸收損耗問題，因此在選擇材料時(shí)，需要知道材料的折射率和吸收系數(shù)。傳統(tǒng)測(cè)試方法要求待測(cè)樣品厚度較大，存在與厚膜制作加工相關(guān)的一系列難題。本文探索性研究了利用衰減全反射技術(shù)在有機(jī)電光材料超薄薄膜上進(jìn)行折射率和吸收系數(shù)測(cè)試的方法，提出了應(yīng)用于該測(cè)試方法的新的器件結(jié)構(gòu)