聚合物光電器件中金屬-聚合物界面結構及性質的研究.pdf

1、共軛聚合物不僅容易溶解于有機溶劑并在襯底上制備大面積的聚合物薄膜，而且具有制備工藝簡單、價格低廉、質量輕、導電性能好等一系列優(yōu)點。近年來，基于共軛聚合物的太陽能電池和發(fā)光二極管等光電器件獲得科學家和企業(yè)界的廣泛關注，其各項性能不斷得到提高，并逐漸接近或達到市場推廣的要求。通常在制備實際器件時，通過熱沉積法在聚合物薄膜上沉積金屬電極，金屬向聚合物內部擴散的過程中，與聚合物發(fā)生相互作用并導致其化學與電子結構產生變化，從而對器件性能產生顯著的

2、影響。研究發(fā)現(xiàn)，界面結構對實際器件的性能及其使用壽命會產生顯著的作用，尤其是其中的金屬/聚合物、聚合物/聚合物界面，因此對有關界面結構進行精確調控是提高器件性能的關鍵。
　　為了提高聚合物太陽能電池和發(fā)光二極管的各項性能，使其滿足商業(yè)化推廣的需求，人們不斷嘗試著使用多種表面靈敏的分析手段對金屬/聚合物、聚合物/聚合物界面進行原位研究，旨在構建合適的界面模型，從而解釋有關界面性質與實際器件性能之間的內在聯(lián)系，為研發(fā)高性能器件提供理論

3、支持。
　　基于以上研究背景，本論文從聚合物太陽能電池和發(fā)光二極管的金屬/聚合物界面、聚合物/聚合物界面入手，通過借助常規(guī)X射線光電子能譜(XPS)、同步輻射光電子能譜(SRPES)、近邊X射線吸收精細結構譜(NEXAFS)和原子力學顯微鏡(AFM)等分析手段對有關界面形成過程中的化學與電子結構變化、界面偶極電場取向進行研究，并且分析了聚合物表面粗糙度、富集組分、分子取向等重要性質，進而構建了一種有助于研究金屬/共混聚合物界面的模

4、型結構。這些研究結果為進一步提高實際器件的性能具有實際指導意義。本論文的所開展的研究工作主要包括以下三個方面:
　　(Ⅰ)選擇在有機光電器件中廣泛應用的F8BT為研究對象，綜合運用AFM、SRPES、變角度全電子產額和部分電子產額的NEXAFS等表面分析技術，系統(tǒng)地研究了不同退火溫度對F8BT薄膜形貌的影響、F8BT的分子取向和Al在F8BT表面沉積后界面的化學反應以及對F8BT電子能級結構的影響等問題。結果顯示，在略低于玻璃轉化

5、溫度的條件下對F8BT進行退火，會增加其表面粗糙度。清潔F8BT薄膜經過70℃退火后F8BT共軛結構與襯底之間的平均夾角為49°，而且9，9-辛基芴單元(F8)與苯噻唑單元(BT)幾乎在同一平面上。F8BT表面沉積了不同厚度的Al后，Al與F8BT中的C、N、S均發(fā)生了不同程度的化學反應，價帶譜中并沒有出現(xiàn)常見的帶隙態(tài)，不過峰型發(fā)生了很大的變化，這也是由界面化學反應所造成的。金屬Al在表面上的沉積還導致F8BT的能帶向下彎曲，在降低F8

6、BT的功函數(shù)的同時，還改變了F8BT未占據分子軌道的態(tài)密度，LUMO軌道會被部分占據。
　　(Ⅱ)不同的金屬與聚合物所形成的界面通常不同的性質。我們借助XPS、SRPES和NEXAFS等研究手段研究了Ca/F8BT界面形成過程中化學和電子結構變化情況。研究結果顯示，不同于Al/F8BT界面，Ca與F8BT中的C、N、S原子均發(fā)生強烈的化學反應。綜合C1s、N1s、S2p等XPS譜的變化情況，可獲得Ca與BT單元之間化學反應模型。C

7、和N的K邊吸收精細結構譜顯示，Ca對F8BT進行n型摻雜，引起能帶向下彎曲，還導致部分未占據分子軌道被摻雜的電子所占據。當Ca的沉積厚度介于1.0～2.5(A)之間時，Ca/F8BT界面上產生一個電場方向從F8BT指向Ca的界面偶極，該界面偶極在2.0(A)≤θCa≤2.5(A)時存在最大值。因此在制備基于Ca/F8BT結構的PLED器件時，通過將Ca的沉積厚度精確控制在2.0～2.5(A)之間，有助于提高器件的性能。
　　(Ⅲ)

8、由共混聚合物構成的體相異質結構是聚合物太陽能電池的重要組成部分。利用常規(guī)XPS、SRPES和NEXAFS等表面靈敏的測量手段對Ca/F8BT∶PC60BM和F8BT/PC60BM界面的化學反應以及電子結構變化進行研究。研究結果顯示，F(xiàn)8BT會富集于共混聚合物的表面，當表面沉積金屬Ca以后，Ca與樣品表面富集的F8BT發(fā)生強烈的化學反應，并且導致F8BT富集層能帶向下彎曲。在F8BT/PC60BM界面形成的過程F8BT和PC60BM之間并