《光電功能材料與器件》課程教學大綱

1、光電功能材料與器件課程教學大綱課程代碼（五號黑體）：MCHM3042（五號宋體）課程性質(zhì)：專業(yè)必修課程授課對象：材料化學、功能材料等專業(yè)開課學期：總 學時：54學時 學 分：3學分講課學時：52學時 實驗學時：0學時 實踐學時：2學時主講教師：楊曉明指定教材：王筱梅，有機光電材料與器件，化學工業(yè)出版社，2014年參考書目（五號黑體） 520部左右（五號宋體）劉恩科，半導體物理學， 電子工業(yè)出版社，2007年黃昆半，導體物理基礎， 科學出版社，1999年李曄，光化學基礎與應用， 化學工業(yè)出版社，2000年劉亟須，物理光學基礎教程， 北京理工大學出版社，2000年朱建國，電子與光電子材料，國防工業(yè)

2、出版社，2007年劉云圻，有機納米與分子器件，科學出版社，2010年李文連，有機光電子器件的原理、結(jié)構(gòu)設計及其應用，科學出版社，2012年教學目的：（五號黑體） 本課程為材料化學專業(yè)和功能材料專業(yè)的專業(yè)必修課。通過本課程的學習使學生了解和掌握各種光電材料的基本原理、基本性質(zhì)、制備技術(shù)，及光電子材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有。了解和掌握光電子器件相關(guān)理論與器件物理，掌握有機發(fā)光二極管、有機太陽能電池、有機場效應晶體管、生物傳感器等分子材料器件的基本類型、結(jié)構(gòu)、工作機理、電學特性、電學特性參數(shù)表征及其應用，為光電器件的研究、設計及應用奠定理論基礎。第一章 物質(zhì)吸收光譜與顏色（五號黑體） 課時：2.5周，共

3、8課時（五號宋體）教學內(nèi)容第一節(jié) 光的基本性質(zhì) 光的波粒二象性第二節(jié) 電子躍遷 一、基態(tài)與激發(fā)態(tài) 分子的基態(tài)與激發(fā)態(tài)的性質(zhì)比較 二、電子躍遷類型 有機分子電子能級躍遷 三、躍遷允許與躍遷禁阻 電子躍遷允許與躍遷禁阻示意圖第三節(jié) 紫外-可見吸收光譜 一、吸收光的條件 能量要大于一定值 二、朗伯-比耳定律 樣品對光波的吸光能力與該溶液的濃度和吸收層厚度成正比。 三、紫外-可見吸收光譜 在近紫外-可見-近紅外光譜區(qū)域內(nèi)，某一樣品對不同波長單色光的吸收強度的變化情況，簡稱吸收光譜。四、紫外-可見吸收光譜儀物質(zhì)的紫外-可見吸收光譜可由紫外-可見吸收光譜儀測定。第四節(jié) 影響紫外-可見吸收光譜的因素 一、常

4、見術(shù)語 發(fā)色團、助色團、紅移、藍移、增色、減色、R帶、K帶、B帶和E帶，分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移吸收帶ICT帶。 二、共軛效應 p-p共軛效應、p-p共軛效應、超共軛效應 三、空間效應 平面性效應四、溶劑效應 分子的最大吸收峰位和摩爾吸光系數(shù)受溶劑極性影響的現(xiàn)象稱為溶劑效應。 五、取代基效應 取代基的結(jié)構(gòu)對分子吸收光譜產(chǎn)生影響，這一現(xiàn)象稱為取代基效應。 六、濃度效應 物質(zhì)的吸收光譜一般在很稀的溶液中測得，因為只有在很稀的溶液中才能避免分子間的相互作用，真實反映出分子的光譜行為。當濃度增大時，分子間的相互作用加強，常常導致吸收峰位紅移、吸光度發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為濃度效應。七、分子聚集體的吸收光譜 分子的

5、聚集體通?？煞譃镴-聚集體和H-聚集體。第五節(jié) 分子結(jié)構(gòu)與顏色 一、基本概念 吸收色與補色，p-p共軛效應與顏色，p-共軛效應與顏色 二、偶氮化合物 三、卟啉化合物 四、酞菁化合物 五、茋類化合物 第六節(jié) 染料的分類與應用 一、偶氮染料 二、蒽醌染料 三、靛族染料 四、芳甲烷類染料 五、菁系染料 六、酞菁染料 七、活性染料 思考題：1、解釋下列名詞：基態(tài)、激發(fā)態(tài)、電子躍遷、吸收光譜、紅移、藍移、ICT吸收帶。 第二章 物質(zhì)熒光與熒光傳感 課時：2.5周，共8課時教學內(nèi)容第一節(jié) 激發(fā)態(tài)及其衰變 一、單線態(tài)、三線態(tài) 分子吸收一定頻率光子可從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，相應地，電子從基態(tài)能級躍遷至激發(fā)態(tài)能級上

6、，此時的電子有兩種不同的排布情況。 二、激發(fā)態(tài)衰變（輻射衰變、非輻射衰變） 三、熒光、磷光 二、內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC）和系間竄越（ISC） 三、激發(fā)態(tài)衰變能級圖 第二節(jié) 熒光光譜 一、熒光發(fā)射光譜 熒光光譜分為熒光激發(fā)光譜與熒光發(fā)射發(fā)光譜兩類，前者是固定發(fā)射波長，檢測在一定的波長范圍內(nèi)待測樣品的熒光強度；后者是固定激發(fā)波長，檢測在一定的波長范圍內(nèi)待測樣品的熒光強度。 二、熒光光譜一般特征 與吸收光譜呈鏡像關(guān)系、斯托克斯位移、反斯托克斯位移。 三、熒光性質(zhì) 熒光量子產(chǎn)率、熒光壽命、熒光速率常數(shù)。第三節(jié) 影響熒光性質(zhì)的因素 一、共軛效應 分子的共軛程度越大、熒光峰位紅移越多，這種現(xiàn)象稱為共軛效應。 二、平

7、面效應 分子剛性的增加減弱了分子的振動弛豫，從而使分子的激發(fā)能不易因振動而以熱能形式釋放，故有利于熒光產(chǎn)生。 三、取代基效應 熒光分子多半具有p-共軛母體結(jié)構(gòu)，若在此結(jié)構(gòu)上連接取代基，對熒光性質(zhì)有著很大的影響，這種現(xiàn)象稱為取代基效應。四、溶劑效應 熒光分子發(fā)射性質(zhì)隨溶劑極性不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 五、濃度效應與聚焦態(tài)熒光 濃度淬滅現(xiàn)象、基態(tài)復合物或聚集體，激態(tài)復合物，聚集態(tài)熒光 六、其他因素 溶劑粘度、重原子效應和溫度效應。第四節(jié) 磷光發(fā)射 磷光強度、磷光壽命、重原子效應第五節(jié) 輻射能量轉(zhuǎn)移與非輻射能量轉(zhuǎn)移 一、輻射能量轉(zhuǎn)移 一個激發(fā)態(tài)分子通過輻射能量轉(zhuǎn)移方式將其激發(fā)能傳遞給另一基態(tài)分子，自身

8、回落至基態(tài)而使后者發(fā)光，這一能量轉(zhuǎn)移過程稱為輻射能量轉(zhuǎn)移。 二、非輻射能量轉(zhuǎn)移 激發(fā)態(tài)分子通過非輻射能量不發(fā)光轉(zhuǎn)移方式將其激發(fā)能傳遞給受體分子A，這一過程不再有輻射現(xiàn)象發(fā)生。非輻射能量轉(zhuǎn)移包括共振能量轉(zhuǎn)移和電子交換能量轉(zhuǎn)移兩種形式。 三、Stern-Volmer猝滅方程 當分子的熒光強度隨著體系中另一種化合物濃度的增大而降低時，這種化合物稱為熒光分子猝滅劑，且該分子的熒光降低與猝滅劑濃度之間存在線性關(guān)系。第六節(jié) 熒光化學傳感器 一、熒光傳感分子結(jié)構(gòu) 二、熒光傳感器信號表達 三、熒光傳感分子實例 思考題：1、畫出Joblonski圖并解釋下列各名詞：基態(tài)、激發(fā)態(tài)、單線態(tài)、多重態(tài)、輻射衰變、非輻射

9、衰變、內(nèi)轉(zhuǎn)換、系間竄越、熒光、磷光、斯托克斯位移。第三章 光致變色與電致變色材料 課時：2周，共6課時教學內(nèi)容第一節(jié) 光致變色現(xiàn)象一、 變色材料二、 光致變色概念化合物A在受到一定波長的光照射時，發(fā)生光化學反應生成化合物B；而在另一波長的光照射下或熱的作用下又可以恢復到化合物A，由于化合物A和B的分子結(jié)構(gòu)不同，最大吸收波長也不同，所以外觀上將顯示出截然不同的顏色，這種現(xiàn)象筄為光致變色，這種材料稱為光致變色化合物。 三、光致變色機理 第二節(jié) 光致變色材料 一、偶氮化合物 二、水楊醛縮芳胺 三、二芳基乙烯類衍生物 三、螺吡喃類化合物三、俘精酸酐與周環(huán)反應第三節(jié) 光致變色材料的應用 一、光開關(guān)器件

10、二、光信息存儲 第四節(jié) 電致變色材料 一、紫精衍生物 在電場作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的氧化還原反應，在外觀上表現(xiàn)為顏色或透明度可逆變化的一類智能性材料。 二、金屬酞菁 三、聚苯胺 四、多聯(lián)吡啶金屬配合物 五、電致變色性能 六、電致變色器件 七、電致變色器件的應用第五節(jié) 酸致變色指具有特點結(jié)構(gòu)的分子隨著體系的酸堿度變化而發(fā)生可逆的變色現(xiàn)象。思考題： 1、光致變色、電致變色、酸致變色、雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)第四章 有機光電顯示材料與器件 課時：2.5周，共8課時教學內(nèi)容第一節(jié) 顯示材料與技術(shù) 顯示材料是指在電場作用下，通過自身的光學性能變化如吸收、熒光、折射率等并借助一系列技術(shù)，繼而產(chǎn)生可讀性文字、圖像等的一類材

11、料第二節(jié) 液晶顯示材料 一、液晶概念 液晶是介于晶體和液體之間的中間態(tài)，外觀上呈渾濁的液體，結(jié)構(gòu)上類似于晶體的有序周期排列，性能上也類似于晶體具有各向異性。 二、液晶分類 熱致液晶、溶致液晶、近晶相液晶、向列相液晶。 三、液晶分子結(jié)構(gòu) 四、液晶相結(jié)構(gòu) 五、液晶疇結(jié)構(gòu) 六、液晶材料物理性能 液晶相變溫度、粘度、介電常數(shù)、折射率 七、液晶顯示屏 基板材料、取向材料、偏振膜 、背光源。第三節(jié) 有機電致發(fā)光器件 一、OLED研究進程 二、OLED結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品 器件結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品分類。 三、OLED發(fā)光原理 在一定電壓驅(qū)動下，電子和空穴分別從金屬電極和ITO透明電極注入到電子傳輸層和空穴傳輸層，然后電子和空穴

12、分別經(jīng)由ETL和HTL遷移致發(fā)光層相遇，形成激子并使發(fā)光分子激發(fā)，后者經(jīng)過輻射弛豫發(fā)出可見光，輻射光可從透明電極一端發(fā)出。四、OLED性能指標 發(fā)光亮度與啟亮電壓、器件功耗與工作電壓、發(fā)光效率和電流效率、器件壽命、色度。 五、OLED材料 六、提高OLED器件性能的關(guān)鍵因素 能級匹配、遷移率匹配七、OLED制作工藝器件陽極制作、有機材料薄膜制備、器件陰極蒸鍍、器件封裝。思考題： 1、液晶、熱致液晶、向列相液晶、相變溫度、三基色材料、電子傳輸材料、空穴傳材料、器件功耗、能級匹配、遷移率。第五章 有機場效應管材料與器件 課時：1周，共4課時教學內(nèi)容第一節(jié) 無機半導體三極管 一、半導體基本知識 二、

13、半導體二極管 三、半導體三極管 第二節(jié) 有機場效應晶體管 一、基本概述 是以有機半導體活性層、依靠柵電壓控制源極和漏極之間的電流的電學開關(guān)器件。 二、有機場效應管的結(jié)構(gòu) 底柵結(jié)構(gòu)、頂柵結(jié)構(gòu) 三、有機場效應管的原理 第三節(jié) 影響OFET性能的關(guān)鍵因素 一、遷移率 二、開/關(guān)比 三、閾值電壓 四、不飽和區(qū)和飽和區(qū)第四節(jié) 有機場效應管材料 一、有機半導體材料 凡是呈平面剛性結(jié)構(gòu)的共軛小分子、低聚物和高聚物、均表現(xiàn)出一定的半導體性質(zhì)，有機半導體包括n型和p型半導體。 二、電極材料 三、絕緣層材料 三、襯底材料第五節(jié) 有機場效應管件的制作 一、一般方法 二、絲網(wǎng)印刷 三、噴墨打印 思考題：1、p-n結(jié)、

14、半導體二極管、半導體三極管、場效應晶體管、有機場效應晶體管、柵電極、漏電極、源電極、溝道。第六章 有機光導材料材料與器件 課時：1周，共4課時教學內(nèi)容第一節(jié) 有機半導體原理 一、有機光導體概念 有機光電導，屬于有機半導體材料、這類材料在沒有光照時表現(xiàn)為絕緣體的性質(zhì)，當有光照時，材料吸收光能后發(fā)生極化，在其表面產(chǎn)生明顯束縛的荷電量；在外場作用下則會引起載流子運動而產(chǎn)生電流。 二、有機光導體導電原理 光生載流子、載流子遷移、載流子有序輸運。第二節(jié) 有機光導體性能參數(shù) 一、光電導量子產(chǎn)率 光生載流子數(shù)量占吸收光子數(shù)量的比值稱為光電導量子產(chǎn)率。 二、光敏感性 充電電位和曝光電位、飽和電位和殘留電位，暗

15、衰值。 三、光電導性能 暗電流、光電流、暗導、光導。第三節(jié) 有機光導體材料 一、酞菁與金屬酞菁 二、聚乙烯基咔唑 三、含聚乙烯基咔唑的復合物 四、方菁染料第四節(jié) 有機光導器件 一、OPC器件組成 鋁鼓基、電荷發(fā)生材料、電荷傳輸材料 二、OPC器件結(jié)構(gòu) 三、OPC器件工作原理 帶電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)移，清除、定影四、光導器件光源 五、光導器件評價指標思考題： 1、光導體、有機光導體、暗衰值、曝光電位、殘留電位、暗導、光導。第七章 光聚合材料及其應用 課時：1周，共4課時教學內(nèi)容第一節(jié) 光譜敏化原理 一、光物理與光化學過程 物質(zhì)在光誘導下躍遷致激發(fā)態(tài)，然后通過電子轉(zhuǎn)移過程生成新的物種，這一過程稱為光

16、化學反應。 二、光化學量子效率 三、光譜敏化劑 當反應物A不能吸收某一波長的光子，若在該體系中加入另一化合物S，S可吸收該波長的光子并將吸收的光能轉(zhuǎn)移給反應物A，使后者發(fā)生反應，化合物S就稱為光譜光敏劑， 反應物質(zhì)A被稱為被敏化物，這種現(xiàn)象稱為光譜敏化。三、 光譜敏化原理光敏劑必須有較高的系間竄越量子產(chǎn)率，以保證高的敏化效率；光敏劑三線態(tài)必須有足夠長的壽命，以完成從光敏劑到被敏化物質(zhì)之間的能量轉(zhuǎn)移。光敏劑三線態(tài)的能級必須高于被敏化物質(zhì)的三線態(tài)能級。光敏劑單線態(tài)與三線態(tài)間的能差要小，以確保光敏劑有較高的三線態(tài)能級 。第二節(jié) 感光高分子材料 一、肉桂酸酯類 二、重氮類感光高分子 三、疊氮類感光高分

17、子 第三節(jié) 光聚合反應 一、自由基光聚合反應 二、陽離子光聚合反應 第四節(jié) 光刻與封裝 一、光刻膠 二、光刻工藝 三、環(huán)氧樹脂密封膠 三、器件封裝思考題：（五號黑體）1、正性光刻膠、負性光刻膠第八章 雙光子吸收材料及其應用 課時：4周，共12課時教學內(nèi)容第一節(jié) 雙光子吸收現(xiàn)象 一、非線性光學現(xiàn)象 當材料被置于強光場中，由于E值很大，式中的高階項不可忽略，在強光場中材料極化強度將呈現(xiàn)非線性的增長，這是由于構(gòu)成物質(zhì)的原子核及周圍電子在電磁波場的作用下產(chǎn)生非諧振運動的結(jié)果。 二、雙光子吸收現(xiàn)象 Copper-Mayer預言：在強光激發(fā)下，每個分子可以吸收兩個光子而躍遷致激發(fā)態(tài)，這兩個光子可以是同時吸收的，也可能是分步完成的；所吸收的兩個光子的頻率可以相同，也可以不相同，這個吸