有机光电材料.ppt
《有机光电材料.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《有机光电材料.ppt(120页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、高分子材料在 能源信息领域的应用,主讲人:牛小玲,能源,水力,火力,风力,核能,潮汐,地热,太阳能发电站,有机太阳能电池,植物光合作用,多晶硅太阳能电池,太阳能电池发展历史,1839,Bequerel发现了光电效应,1873,Selen发现了光伏效应,1954,研发出半导体技术 第一块硅晶片诞生,固体吸收光线,产生自由电荷,电荷分离,在太阳光照下,毫无损伤地产生电子能量,能级分布,固体中的能量状态图,绝 缘 体,金 属,半导体,太阳能电池发电原理,太阳能电池种类,硅太阳能电池,多元化合物太阳能电池,聚合物多层修饰电极型太阳能电池,纳米晶太阳能电池,聚合物太阳能电池,用于太阳能电池的高分子,纳米
2、复合材料,聚乙炔,聚噻吩,聚吡咯,聚苯胺,聚乙炔,高分子的化学结构,聚噻吩,聚吡咯,聚苯,聚苯撑乙烯,聚芴,三联苯聚乙炔,C60足球烯,Richard N, Zare,Walter, Kohn,Harold, Kroto,Nobel Prize for 1996,?,?,Nobel Prize in Chemistry 2000,“For the discovery and development of conductive polymers”,G. MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger,电导率,能带间隙 (Energy Band Gap),金属之Eg值几乎为0 eV
3、 ,半导体材料Eg值在1.03.5 eV之间,绝缘体之Eg值则远大于3.5 eV。,导电高分子材料的研究进展,1862年,英国Letheby在硫酸中电解苯胺而得到少量导电性物质 1954年,米兰工学院G.Natta用Et3Al-Ti(OBu)4为催化剂制得聚乙炔 1970年,科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氰(SN)x具有超导性,初期的实验发现与理论积累,科学家将有机高分子与无机高分子导电聚合物 的开发研究合在一起开始了探寻之旅。,1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中,偶然地投 入过量1000倍的催化剂,合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与 银白色光泽的反式聚乙
4、炔。,108107 S/m,103102 S/m,导电高分子材料的发现,导电高分子材料的研究进展,1975年,G. MacDiarmid 、 J.Heeger与H.Shirakawa合作进行研究,他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后,其电导率令人吃惊地达到3000S/m。,聚乙炔的掺杂反应,导电高分子材料的研究进展,1980年,英国Durham大学的W.Feast得到更大密度的聚乙炔。 1983年,加州理工学院的H.Grubbs以烷基钛配合物为催化剂将环辛四烯转换了聚乙炔,其导电率达到35000S/m,但是难以加工且不稳定。 1987年,德国BASF科学家 N. T
5、heophiou 对聚乙炔合成方法进行了改良,得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级,达到107S/m。,后续研究进展,金属防腐蚀,防止低碳钢腐蚀,火箭发射塔内壁的保护,界面,两者的界面产生一个电场,阻止电子从金属流向外部的氧化层,聚苯胺还原电位0V/SCE,金属铁氧化电位 -0.7V/SCE,两者的作用在 界面形成氧化层。导电高分子层使得铁直接与界面的水相互作用而氧化 最终成为致密的氧化膜,起到保护作用,船舶防污涂料,海洋生物污损,传统的防污涂料采用氧化亚铜,有机锡等,污染海洋环境 含海洋生物天敌的生物防污涂料,含有有机硅低表面能防污涂料 导电防污涂料,导电聚苯胺在海水中会发生氧化还原反应 海洋
6、生物生长的最佳PH为7-8,导电涂层的酸性环境,电学性能与应用,透明电极,印刷电路板,微波焊接,金属和石墨电极不透明,导电高分子可以制成透明电极 但透明性与高导电性是矛盾的, 樟脑磺酸掺杂,在绝缘的基底上镀金属铜,表面吸附贵金属,然后在铜离子 的甲醛溶液中化学沉积出铜,再用电镀的方法 可直接将导电的聚苯胺沉积在绝缘的尼龙或聚酯薄膜上,聚苯胺类高分子在一定的电导率范围内具有很高的介电常数 很强的吸收电磁波的能力,吸收电磁波后可将电磁能转变为热能 在两块聚乙烯之间加入聚苯胺,微波处理后,界面处的聚乙烯 熔融,最终粘结在一起,具有良好的力学性能,新 能 源,燃料电池-质子交换膜,有机发光二极管,OL
7、ED:有机发光显示器,有机半导体材料和发光材料在电场驱动下,通过 载流子注入和复合导致发光,邓青云,1979年的一天晚上,在柯达公司从事科学研究工作的 华裔科学家邓青云博士在回家的路上忽然想起有东西 忘记在实验室。回到实验室,他发现黑暗中有个亮东 西。打开灯,原来是一块做实验的有机蓄电池在发光,有机发光二极管OLED,光传导高分子材料,光导纤维,手机保护膜,防刮:采用高品质高分子材料,表面的抗摩擦和划伤能力强, 高透明度、真彩色色调以90%透光率,可以感受到舒适明亮的画面和真实自然的色彩感 软屏幕的画面色调采用特殊微雾的表面处理技术,能有效减少高达98%的反射视觉和外部环境光线 耐指纹和防灰尘
8、作为特殊防静电,表面可以有效地防止指纹附上和远离粉尘 有效的紫外线隔离高达75%,特殊表面涂层能有效隔离紫外线屏幕所产生的负担,手机结构 手机结构一般包括以下几个部分: 1.LCD LENS 材料:材质一般为PC或压克力; 连结:一般用卡勾+背胶与前盖连结。 分为两种形式:a. 仅仅在LCD上方局部区域;b.与整个面板合为一体。 2.上盖(前盖) 材料:材质一般为ABS+PC; 连结:与下盖一般采用卡勾+螺钉的连结方式(螺丝一般采用2,建议使用锁螺丝以便于维修、拆卸,采用锁螺丝式时必须注意Boss的材质、孔径)。Motorola 的手机比较钟爱全部用螺钉连结。 下盖(后盖) 材料:材质一般为A
9、BS+PC; 连结:采用卡勾+螺钉的连结方式与上盖连结; 3.按键 材料:Rubber,pc + rubber,纯pc; 连接: Rubber key主要依赖前盖内表面长出的定位pin和boss上的rib定位。Rubber key没法精确定位,原因在于:rubber比较软,如key pad上的定位孔和定位pin间隙太小(0.2-0.3mm),则key pad压下去后没法回弹。,4.Dome 按下去后,它下面的电路导通,表示该按键被按下。 材料:有两种,Mylar dome和metal dome,前者是聚酯薄膜,后者是金属薄片。Mylar dome 便宜一些。 连接:直接用粘胶粘在PCB上。 5
10、.电池盖 材料一般也是pc + abs。 有两种形式:整体式,即电池盖与电池合为一体;分体式,即电池盖与电池为单独的两个部件。 连结:通过卡勾 + push button(多加了一个元件)和后盖连结; 6.电池盖按键 材料:pom,电脑,为什么我的笔记本一摔就坏了,而他的摔一下却什么事都没有? 为什么我的笔记本屏幕一按就有水波纹,而他的上面居然能站个人? 为什么我的笔记本不能沾水,而他的把水泼上去竟然也没关系? 为什么我的笔记本重得像板砖而他的却似乎轻若无物?,镁铝合金、钛合金、ABS工程塑料、改进型工程塑料,碳纤维,光信息存储,有 机 存 储 材 料,生活离不开的电子产品,芯片,感光性高分子
11、材料 Photosensitive Polymeric Materials,感光高分子材料在光的作用下能迅速发生光化学反应,引起物理和化学变化的高分子体系 感光高分子材料的应用 光致抗蚀剂(光刻胶) 光固化粘合剂 光固化涂料、油墨,相关的光化学过程(Photochemistry) 光聚合 Photopolymerization,44,光交联 Photocrosslinking,IC制作的光刻胶,光刻胶涂覆于表面为SiO2的单晶硅片上 在单晶硅片上制作出集成微小电阻、 电容、晶体管等微电子元器件。,金属氧化物半导体(MOS)晶体管示意图,46,对底材进行区域选择性保护,裸露区域被刻蚀。,光刻原理
12、,Manufacturing steps,The manufacturing process involves four main steps: Deposition (沉积):单晶硅片上沉积异相薄膜 SiO2, Al, Doping (掺杂):通过掺杂改变导电性 Photolithography(光成像): 照相制版,制掩膜 Etching(蚀刻):转印立体图案至单晶硅片上,Process,正性与负性光刻胶,光刻胶 光致抗蚀剂 (photoresist) 正性光刻胶光致可溶(易溶) 负性光刻胶光致不溶(难溶),正性光刻胶,光致增溶机理,酸增殖反应,光照下光产酸剂分解出H+, 然后H+催化保护
13、基团的脱落,同时产生H+,后者又可以作为催化剂,如此不断循环,使酸浓度越来越高,负性光刻胶,机理:光致耦合、交联等; 代表类型:聚乙烯醇肉桂酸酯、环化橡胶-多叠氮体系、水性光刻胶等,水溶性光刻胶,水溶性高分子 + 水溶性 多叠氮感光交联剂 水溶性高分子:聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酰胺等; 水溶性叠氮光敏交联剂:,不用苯系和卤代溶剂,环保,53,对光刻胶的要求,光刻胶的一般要求,要求有很好的成膜性。光刻时一般采用旋转涂胶的办法,即在硅片的中心滴一滴光刻胶,然后在高速旋转台上旋转,使光刻胶均匀分布在硅片上成膜。 要求胶膜对二氧化硅有强的附着力。 要有足够的光敏性。 要有良好的分辨率,所谓分辨率就是光
14、刻可达到的最细线条的宽度。 对光刻所用腐蚀液有良好的抗腐蚀性等等。,导电高分子,聚合物是分子型材料,原子与原子间通过共享价电子形成共价键而构成分子,共价键属于定域键,价电子只能在分子内的一定范围内自由迁移,缺少可以长距离迁移的自由电子,因此,高分子材料属于绝缘材料的范畴。,导电高分子材料,1977年,美国化学家MacDiarmid,物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性 。并因此获得2000年诺贝尔化学奖。 将ZigglerNatta催化剂溶于甲苯中,冷却到-78度,通入乙炔,可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。掺杂后电导率达到105S/cm量级。
15、,2000年诺贝尔化学奖得主,美国物理学家Heeger,美国化学家MacDiarmid,日本化学家Shirakawa,导电高分子,迄今为止,国内外对结构型导电高分子研究得 较为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯 撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。 其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性,其电 导率可达5103104-1cm-1(金属铜的电导率105-1cm-1)。但是其环境稳定性问题至今解决不好,影响了其使用。环境稳定性好的聚苯胺、聚吡咯(德国BASF公司已批量生产)、聚噻吩目前成为导电高分子的三大品种。,电导率, = 1 / (S/cm) 标定材料的导电性能,电导率(S/cm),106 104
16、102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16 10-18,银、铜、铁,金 属,半 导 体,绝 缘 体,铟、锗 硅,溴化银 玻璃 金刚石 硫 石英,导 电 高 分 子,导电高分子,导电高分子,复合型导电高分子,本征导电高分子(结构导电高分子),电子导电聚合物,离子导电聚合物,氧化还原型导电聚合物,高分子本身具备传 输电荷的能力,载流子?,导电的基本概念,载流子 材料在电场作用下能产生电流是由于介质中存在能自由迁移的带电质点,这种带电质点被称为载流子。 常见的载流子包括:自由电子、空穴、正负离子,以及其它类型的荷电微粒。 载流子的密度是衡量材料
17、导电能力的重要参数之一。,本征型导电高分子材料(电子导电),电子导电高分子:具有共轭键,其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。 电子导电高分子的特点: 高分子链上有共轭键,聚乙炔,聚吡咯,聚噻吩,聚对苯,聚苯乙炔,n,聚苯胺,结构特点,纯净的电子导电聚合物本身导电率并不高,必须经过掺杂才具备高的导电性。 掺杂是向空轨道注入电子,或是从充满轨道拉出电子,改变电子能带的能级,出现半充满能带,减小能量差,减小电子或空穴迁移的阻力。,?涉及电子转移的过程,采用何种物质掺杂?,导电高分子的掺杂途径 正掺杂与负掺杂,氧化(正掺杂) (p-doping):,CHn + 3x/2 I2 CHnx+
18、 + x I3-,CHn + x Na CHnx- + x Na+,电子受体,氧化剂,还原(负掺杂) (n-doping):,从价带中拉 出一个电子,通过氧化还原反应完成电子转移过程,复合型导电高分子材料的结构组成,聚合物基体材料,+,导电填充物,将导电颗粒牢固地粘结在一起, 使导电高分子具有稳定的导电 性,同时它还赋于材料加工性。,提供载流子的作用, 它的形态、性质和用量 直接决定材料的导电性。,按聚合物基体材料不同分类,导电塑料 - 聚乙烯、聚丙烯、聚酯及聚酰胺 导电橡胶 - 氯丁橡胶、硅橡胶 导电纤维 - 聚酰胺、聚酯、腈纶 导电胶粘剂 - 环氧树脂、丙烯酸树脂等 导电涂料 - 有机硅树
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 有机 光电 材料
链接地址:https://www.31doc.com/p-2196936.html