盘状液晶在有机光电器件中的应用

林 飞

(济南大学泉城学院，山东 蓬莱 265600)

盘状液晶在有机光电器件中的应用

林 飞

(济南大学泉城学院，山东 蓬莱 265600)

本文介绍了盘状液晶的结构、盘状液晶的柱状相、盘状液晶在基板上的取向以及盘状液晶分子在有机发光二极管(OLED)、有机光伏器件(OPV)和有机场效应管(OFET)三种有机光电器件中的应用及其工作原理。

盘状液晶；有机光电器件；应用

美国科学家艾伦·黑格、艾伦·麦克迪尔米德和日本科学家白川英树在多年的研究中发现，经过特殊改造之后，塑料能够表现得像金属一样，产生导电性，获得2000年诺贝尔化学奖。三位科学家一系列原创性活动推动了导电聚合物的研究发展与应用。盘状液晶分子具有优越的自组装性能，因此在分子电子器件的应用中有着巨大的潜在市场。

1 盘状液晶

液晶主要分为两大类：热致性液晶(thermotropic LC)和溶致性液晶(lyotropic LC)。其中，热致性液晶可以通过改变外界温度得到。热致性液晶又根据其介晶基元几何形状的不同分为棒状和盘状液晶。溶致性液晶可以通过在某种物质中加入特定的溶剂得到。

盘状液晶分子在结构上主要由两部分组成：一部分是由π—π共轭结构形成的中心的方向核，π—π结构相互堆叠，自组装形成有序的一维柱状结构成为载流子的传输通道。另一部分是由脂肪侧链(一般为3～6条)形成的外围柔性部分，脂肪侧链成为载流子传输通道的绝缘部分，并且增加液晶分子的流动性和溶解性，使液晶分子在制造光电器件时可以采用印刷或涂布等低成本的制造工艺[1]。

盘状液晶形成的中间相有三种：第一种为盘状柱状相(CoLh)，盘状分子堆砌成一维的柱子，并且柱状相为盘状液晶分子最常见的中间相。第二种为盘状向列相(Nd)，盘状相列相是有序度最低的一种中间相，其中盘状分子质心无序，仅在法线方向上有序。第三种为盘状层状相(CoLl)[2]，目前研究中还未发现层状柱状相。盘状液晶中间相，如图1所示。

图1 盘状液晶中间相Fig.1 Disc liquid crystal mesophase

2 盘状液晶在基板上的取向方式

盘状液晶在不同极性的基板表面由于相互作用的不同，形成两种不同的取向。第一种取向为侧立取向(edge-on)，可以制作有机场效应管，π—π堆叠形成的柱轴与基板是平行关系。第二种取向为垂直取向(face-on)，可以制作有机发光二极管和光伏器件，π—π堆叠形成的柱轴与基板是垂直关系[1]。

3 盘状液晶在有机光电器件中的应用

3.1 有机发光二极管

有机发光二极管的基本结构是三明治结构：与正极相连的铟锡氧化物、发光层和金属阴极。当给元件两端加上直流电时，外加电压驱动电子(Electron)由阴极注入元件，驱动空穴(Hole)由阳极注入元件，两者在传导中相遇、结合后形成电子—空穴复合。当外加电压激发中间发光层后，产生的电子自旋和基态电子成对，释放荧光；当激发态电子自旋和基态电子不是成对而是平行时，释放磷光。

有些有机发光材料被称为主发光体，该类发光材料本身就具有空穴或电子传输的功能。还有一类材料被称为掺杂发光体或是客体发光，该类材料中掺杂了少量的有机磷光或者荧光染料，利用掺杂的有机磷光或者荧光接受主体发光体的能量转移并且由载流子捕获发射出各种不同颜色的光。虽然有机发光二极管和普通发光二极管的发光原理基本相同，但有机发光二极管使用的是有机材料自身具有的一些优异特性。利用有机发光材料制造生产的平板显示器件与普通的显示器相比，具有面板更薄、对比度高、功耗低、视角宽、重量轻、响应速度快等特点，尤其值得一提的优势是有机发光材料制作的显示屏可以像纸一样弯曲、折叠，甚至可以放在口袋里，挂在墙上，也可以镶嵌在衣服里作为衣服的一部分，需要时显示出想要的信息。

在常见的有机发光材料中，盘状液晶分子由于具有较高的荧光量子效率和载流子迁移率，成为制造有机发光二极管的理想材料。其中苯并菲被用于设计合成一系列空穴传输材料用于有机发光二极管中，有较高电荷迁移率的六苯并蔻类分子被用于设计合成一系列的p-型半导体材料。

3.2 有机太阳能电池

另一种常见的有机光电器件为有机太阳能电池，它的构造与上面提到的有机发光二极管的构造相似。其基本工作原理为：光照射到有机活性层后，有机材料吸收并产生一对束缚在一起的电子空穴对，被称为激子。两端电极由于功函数不同，作用到激子上使其解离并形成载流子，解离形成的载流子定向迁移就形成光电流[3]。

目前利用研究合成的盘状液晶分子HBC12作为有机活性层制成的光伏器件，在测试中得到1.95%的光电转换效率。HBC12作为电子给体，PDI(苝二酰亚胺)作为电子受体，器件能量转换率达到2%，其他盘状液晶材料均可作为空穴材料用于光伏器件。

3.3 有机场效应晶体管

微电子行业中还有一种利用电场控制固体材料导电性能的有源器件为场效应晶体管。目前无机场效应晶体管由于价格较高，并且用来在制备大表面积器件时仍有诸多问题，因此，人们自然地将注意力转移到寻找合适的有机材料来作为活性材料制备有机场效应管。1986年报道第一个有机场效应晶体管以来，有机场效应管的研究取得了快速发展和一系列重大突破。

有机场效应晶体管由源极(source)、漏极(drain)、栅极(gate)、有机半导体层和栅绝缘层组成。根据器件的结构不同可以分为四类：底栅底接触式、顶栅顶接触式、顶栅底接触式和底栅顶接触式。根据栅极位置不同划分为底栅型和顶栅型，当栅极沉积到栅绝缘层下方时为底栅；反之，当栅极沉积到有机层和绝缘层上方时为顶栅。根据有机层和源漏电极的位置不同划分为顶接触式和底接触式，有机层先在栅绝缘层上，再在上面沉积源漏电极时为顶接触式；反之当源漏电极和栅绝缘层为有机层的基底时为底接触式。结构不同的器件其载流子入注方式不同，同时器件的性能也不同。

可以将有机场效应晶体管看作是一个电容器，其中两个极板分别为栅极和源、漏极之间的导电沟道，绝缘板为夹在中间的栅绝缘层。电荷由源极注入，由漏极收集，栅极诱导有机半导体与绝缘层界面产生电荷形成导电沟道。场效应管中的门电压用来控制源极与漏极之间的载流子的传输。盘状液晶分子通过自组装在基板表面形成的侧立取向的柱状相，可以为载流子的传输提供通道。根据报道，Müllen[4]利用设计合成的六苯并蔻分子构建了有机场效应管，经测试，其场迁移率达到10-3cm2/V·s，开关比高达104 。

4 结语

利用有机发光材料制作得到的光电器件与传统的器件相比质量轻、功耗小，尤其在显示器制作方面，可以得到超薄可弯曲的显示器，目前有很好的应用前景。在有机光伏器件的制作中相对较少，而且有机光电材料在合成和提纯方面仍有困难需要克服，盘状液晶在基板上形成的柱状堆积有序尺度一般只有纳米或微米级，直接通过旋涂等成本比较低的方式在基板上制备的有机薄膜的长程有序性，远远达不到器件所要求的尺度。因此，如何形成宏观长程有序的一维柱状堆叠是研究人员未来研究重点。

[1] Chandrasekhar，G S Ranganath. Discotic liquid crystals[J]. Rep. Prog.，1990，(53)： 57.

[2] Chandrasekhar， S.， Prasad，S. K. Recent developments in discotic liquid crystals[J]. Contemp. Phys. 1999，(40)：237 - 245.

[3] 李萌，王传坤，李晨希，等.基于富勒烯类材料太阳能电池研究进展[J]. 电子元件与材料，2013，32(02)：70-76.

[4] Van de Craats, A. M., Stutzmann, N., Bunk, O., Nielsen, M. M., Watson, M., Müllen, K., Chanzy, H. D., Sirringhaus, H., Friend, R. H., Meso-Epitaxial Solution-Growth of Self-Organizing Discotic Liquid-Crystalline Semiconductors[J]. Adv. Mater. 2003， 15(06)：495.

The application of discotic liquid crystal in organic optoelectronic devices

LIN Fei

(University of Jinan Quancheng College, Penglai 265600, China)

This paper introduces the structure of discotic liquid crystal, the columnar phase of discotic liquid crystal, the orientation of discotic liquid crystal on the substrate and the properties of discoid liquid crystal molecules in organic light emitting diode (OLED), organic photovoltaic device (OPV) and organic field (OFET) three kinds of organic optoelectronic devices in the application and its working principle.

Discotic liquid crystal; Organic optoelectronic devices; Application

2017-04-18

林飞(1989-)，女，硕士，助教。

TN104.3

A

1674-8646(2017)14-0042-02