聚合物光電器件中金屬-聚合物界面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的研究.pdf

1、共軛聚合物不僅容易溶解于有機(jī)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉、質(zhì)量輕、導(dǎo)電性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。近年來，基于共軛聚合物的太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管等光電器件獲得科學(xué)家和企業(yè)界的廣泛關(guān)注，其各項(xiàng)性能不斷得到提高，并逐漸接近或達(dá)到市場(chǎng)推廣的要求。通常在制備實(shí)際器件時(shí)，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(nèi)部擴(kuò)散的過程中，與聚合物發(fā)生相互作用并導(dǎo)致其化學(xué)與電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而對(duì)器件性能產(chǎn)生顯著的

2、影響。研究發(fā)現(xiàn)，界面結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)際器件的性能及其使用壽命會(huì)產(chǎn)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(duì)有關(guān)界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)控是提高器件性能的關(guān)鍵。
　　為了提高聚合物太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管的各項(xiàng)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(duì)金屬/聚合物、聚合物/聚合物界面進(jìn)行原位研究，旨在構(gòu)建合適的界面模型，從而解釋有關(guān)界面性質(zhì)與實(shí)際器件性能之間的內(nèi)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(yáng)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(xì)結(jié)構(gòu)譜(NEXAFS)和原子力學(xué)顯微鏡(AFM)等分析手段對(duì)有關(guān)界面形成過程中的化學(xué)與電子結(jié)構(gòu)變化、界面偶極電場(chǎng)取向進(jìn)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(zhì)，進(jìn)而構(gòu)建了一種有助于研究金屬/共混聚合物界面的模

4、型結(jié)構(gòu)。這些研究結(jié)果為進(jìn)一步提高實(shí)際器件的性能具有實(shí)際指導(dǎo)意義。本論文的所開展的研究工作主要包括以下三個(gè)方面:
　　(Ⅰ)選擇在有機(jī)光電器件中廣泛應(yīng)用的F8BT為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用AFM、SRPES、變角度全電子產(chǎn)額和部分電子產(chǎn)額的NEXAFS等表面分析技術(shù)，系統(tǒng)地研究了不同退火溫度對(duì)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(xué)反應(yīng)以及對(duì)F8BT電子能級(jí)結(jié)構(gòu)的影響等問題。結(jié)果顯示，在略低于玻璃轉(zhuǎn)化

5、溫度的條件下對(duì)F8BT進(jìn)行退火，會(huì)增加其表面粗糙度。清潔F8BT薄膜經(jīng)過70℃退火后F8BT共軛結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)，價(jià)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(xué)反應(yīng)所造成的。金屬Al在表面上的沉積還導(dǎo)致F8BT的能帶向下彎曲，在降低F8

6、BT的功函數(shù)的同時(shí)，還改變了F8BT未占據(jù)分子軌道的態(tài)密度，LUMO軌道會(huì)被部分占據(jù)。
　　(Ⅱ)不同的金屬與聚合物所形成的界面通常不同的性質(zhì)。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(xué)和電子結(jié)構(gòu)變化情況。研究結(jié)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(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。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(xué)反應(yīng)模型。C

7、和N的K邊吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜顯示，Ca對(duì)F8BT進(jìn)行n型摻雜，引起能帶向下彎曲，還導(dǎo)致部分未占據(jù)分子軌道被摻雜的電子所占據(jù)。當(dāng)Ca的沉積厚度介于1.0～2.5(A)之間時(shí)，Ca/F8BT界面上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)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(shí)存在最大值。因此在制備基于Ca/F8BT結(jié)構(gòu)的PLED器件時(shí)，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(gòu)成的體相異質(zhì)結(jié)構(gòu)是聚合物太陽(yáng)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(cè)量手段對(duì)Ca/F8BT∶PC60BM和F8BT/PC60BM界面的化學(xué)反應(yīng)以及電子結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示，F(xiàn)8BT會(huì)富集于共混聚合物的表面，當(dāng)表面沉積金屬Ca以后，Ca與樣品表面富集的F8BT發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，并且導(dǎo)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