有机电子元件的发展中,电极与有机半导体介面间的能阶相对位.PDF

摘要 有機電子元件的發展中，電極與有機半導體介面間的能階相對位 置，對於電荷載子注入效率上一直扮演極其重要的角色。其中對於有 機發光二極體元件(Organic light emitting diodes, OLEDs)的表現上，起 始的電荷載子注入程度對於元件發光效率與元件壽命皆深具影響。並 且可經由在電極表面上進行修飾或改質，於電極與有機半導體介面處 引入不同方向或強度之電偶極，以調控介面能階相對位置。 在本研究中，我們利用一系列具不同偶極性質之硫醇分子，將其 吸附於金屬銀表面以 製 備 出 高 秩 序 性 之 自 組 裝 單 層 分子薄膜 (self-assembled monolayers, SAMs)。其中所使用分子包含不同取代位 置之氟取代苄基硫醇、不同鏈長之正烷基硫醇、末端氰基、末端三氟 甲烷之取代烷基硫醇與兩種偶極方向相反的烷基硫醇 (正癸基硫醇 與全氟化癸基硫醇)之二元混合系統，然後將其應用於上發光式有機 發光二極體元件之陽極 (Top-emitting OLEDs)。並經由元件光電性質 的量測與分析，判斷該修飾對元件內電洞載子注入效率的影響。 首先我們顯示相同的取代基因取代位置的不同，造成吸附分子膜 偶極方向的不同，可直接有效地調控金屬表面之功函數 (work function), 繼而改變載子於陽極與有機半導體介面處的注入能障。其 次我們也顯示除了可藉由改變烷基硫醇分子的末端官能基取代來調 III 整金屬表面功函數外，同時也可藉由絕緣的碳鏈長度的改變來調控位 於介面的穿隧距離 (tunneling distance)。經過兩者(極性官能基與穿隧 距離)交互調整的過程有效調控介面間的能階相對位置，從而分析元 件中電子與電洞平衡狀況及對發光效率的影響。 本研究並進一步以兩種偶極方向相反的烷基硫醇 (正癸基硫醇 與全氟化癸基硫醇)製備自組裝二元混合分子薄膜 (mixed SAMs)修 飾於金屬銀表面，藉由混合比例的改變，有效地且連續地調控其功函 數變化(4.1 eV~5.8 eV)。後續將其應用於 Top-emitting OLED 的陽極， 並 搭配 不同 電洞傳 輸材 料 (HTL)製 作 單載 子 (電洞)二 極體 元 件 (Hole-only devices)，或 Top-emitting OLEDs 元件，由混合單分子層 的混合比例對元件電荷注入效率、發光電流效率影響，分析改善電洞 與電子載子數目平衡的方法。 除此之外，針對有機半導體之自身載子遷移率 (carrier mobility) 普遍不高以及傳統上使用有機薄膜電晶體驅動有機發光二極體在製 程上的限制，我們朝向導電通道可大幅縮短的垂直式電晶體方向發展， 以期降低電壓提升電流輸出。本研究利用奈米球微影製程技術 (Nanosphere lithography, NSL) ， 同 時 以 聚 氧 化 乙 烯 (poly(ethylene oxide))進行高分子架橋，以提升聚苯乙烯(polystyrene)奈米球自組裝 的穩定性，從而製作大面積奈米孔洞陣列之鋁金屬閘極，並以聚三己 IV 基塞吩 (poly(3-hexylthiophene), P3HT) 做為主動層材料，應用於製 備垂直式空間電荷限制電晶體 (space-charge limited transistor, SCLT)。 本研究所製作之大面積規則陣列鋁基極之空間電荷限制電晶體，於低 操作電壓 (-2.0V)下可有效獲得高電流密度輸出 (平均值為 12 mA/cm2)，元件操作最大開關比 (on-off ratio)則為 2*104，對於有機 薄膜電晶體的性質提升有初步著實的成效。