高压下有机半导体Alq3的电输运性质和结构性质研究

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有机半导体材料Alq3具有良好的传输能力,在真空条件下可以制备成致密的薄膜,且稳定性良好,荧光量子效率高,这些特点使其在有机发光二极管的应用中占据着重要地位。通过研究其电输运性质,对拓展Alq3的应用范围、优化有机半导体器件的光电性能等方面提供重要的指导意义。本论文是结合多种原位高压实验技术,利用金刚石对顶砧装置(DAC)进行了原位高压同步X光衍射实验、拉曼散射实验和交流阻抗谱测量实验,系统研究了高压下Alq3结构性质的变化和电学性质的变化,具体的研究结果如下:第一,通过对Alq3进行X射线衍射实验发现:在整个测试的压力范围内,随压力的增加所有的衍射峰峰强在减弱并且向高角度平移。在2.5GPa出现新的衍射峰,表明样品发生了致密相的转变;在15.0GPa之后,衍射峰的数量明显减少,我们认为样品的三维结构发生了平面化造成的;在卸压后,样品的衍射峰基本都回归到了相变之后的状态,说明结构的平面化过程是可逆的。第二,通过对Alq3高压拉曼散射实验的研究发现:在整个测试的压力范围内,所有的拉曼峰向高波数区频移,拉曼峰峰值减弱并且谱线展宽。在2.8GPa处,拉曼峰右移趋势明显,但是峰强却相对增强且出现一个新的拉曼峰,应该是发生致密化相变导致的,这与高压X射线衍射实验的结果一致;在11.2GPa之后,几乎所有的拉曼峰都已经消失,说明晶体的三维立体结构发生了平面化转变。在卸压后,拉曼振动模式都回归到了相变之后的状态,表明平面化的过程是可逆的,没有发生化学变化,这种结果与高压X射线衍射实验的结果一致。第三,通过Alq3交流阻抗谱随压力变化关系的研究发现:在测试的整个压力范围内,复阻抗图谱中只有一个圆弧,晶粒传导是主要的传导机制。对于有机分子晶体,电阻随压力变化的原因主要有两个:(1)随着压力的增加分子间距减小,最高占据分子轨道(HOMO,Highest Occupied Molecular Orbital)和最低未占分子轨道(LUMO,Lowest Unoccupied Molecular Orbital)能级之间的带隙减小,带间载流子输运效率增强,从而使电阻减小;(2)随着压力增加晶格缺陷增多,缺陷阻碍电子输运的作用增强,从而使电阻增大。而在最初加压的过程中,由于样品之间存在间隙,阻抗随着压力的增加急剧下降;而在2GPa附近,阻抗的变化趋势发生改变,我们认为是由于样品发生致密化相变引起的;在2~8.3GPa范围内阻抗随着压力增加而增大,此时晶格缺陷的阻碍作用占主导地位;在8.3GPa左右,阻抗随着压力的增加而减小,这是由于分子间距离减小起主导作用,HOMO和LUMO能级之间带隙减小致使载流子输运作用增强,从而导致电阻减小;15GPa之后,阻抗随着压力的增加而增大,这是由于样品结构发生了平面化转化造成的。
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