有機功能材料與器件課件

1、有機功能材料與器件Functional Organic Materials & Devices, FOM&D 授課老師：解令海、馮全友Email: iamlhxieOUTLINEIntroduction of CMSODIAMBasic Picture for Everyone and EverythingSocietyLifeMethodologyKnowledgeFunctional Organic Materials & Devices, FOM&DFunction-Organics-Materials-DevicesDifference from Organic Electronics

2、Basic Reference and RequirementsBasic Picture of Organic MoleculesSummary and Assign HomeworkIntroduction of CMSODIAM自我介紹- CMSODIAM團隊CMSODIAM科學(xué)研究團隊建設(shè)服務(wù)社會人才培養(yǎng)平臺建設(shè)在科學(xué)研究方面，以分子制造、跨尺度化學(xué)、神經(jīng)電子學(xué)、軟機器人為核心研究方向在團隊建設(shè)方面，我們是以黃維院士為大師引領(lǐng)、有我來主持工作的，共有12名老師組成的團體在平臺建設(shè)方面依托重點實驗室培養(yǎng)基和先進材料研究院以及材料科學(xué)與工程學(xué)院，建設(shè)超分子光電子平臺（分子合成、納米組裝、高

3、分子材料和有機器件四個部分）！在人才培養(yǎng)方面，教學(xué)成果一等獎、小平創(chuàng)新團隊、挑戰(zhàn)杯一等獎在社會服務(wù)方面，在加上SFX商業(yè)化步伐，與試劑百靈威合作！CMSOD-重要進展1）有機半導(dǎo)體共性問題之一：有機半導(dǎo)體分子設(shè)計的基礎(chǔ)原理探索以及應(yīng)用1.1）SFX-based OLEDs1.2）PVK-PF-based PLEDs and Polymer Memory2）有機器件共性問題之二：溶液加工工藝方面探索及其水相加工技術(shù)3）有機器件共性問題之三：器件電極材料以及柔性器件5VIP評價：Highlighted by Nature Materials and Nature (Asia Materials)以

4、“可記憶的聚合物”為題，指出了解令海和他的同事論證了第一個基于構(gòu)象轉(zhuǎn)變的有機半導(dǎo)體非易失性閃存器件。6Nature Materials研究亮點有機納米片及其綠色水相薄膜工藝水相加工方法：基于二維納米片的高質(zhì)量薄膜；實現(xiàn)了WORM（一次寫入多次讀?。┬碗姶鎯?；為有機電存儲器件的環(huán)境友好工藝提供一條全新、有效的途徑。Adv. Mater. 2013 doi: 10.1002/adma.201301280. Frontispieces7DVANCEDAMATERIALSwww.advmat.deILEY-VCHW有機化學(xué)（孔祥文，陳平，解令海，朱佩珣，化學(xué)工業(yè)出版社，2010年2月，ISBN: 97

5、8-7-122-07037-1）嘗試螺環(huán)芳烴（SAH）寫入教材有機化學(xué)教材獲“國家十二五規(guī)劃教材”人才培養(yǎng)的成果-林進義博士及其小平團隊SFX及其OLED材料中試研發(fā)SFX及其OLED材料形成公開十余項專利，目前SFX正在江蘇方圓環(huán)球顯示技術(shù)（鹽城）有限公司中試研發(fā)。Basic Picture for everyone and everythingSocietylifemethodologyknowledgePassion. Curiosity. Excellence. Integrity“Why do our schools always fail to nurture outstandin

6、g talents?”Qian Xuesens Question The chance in CHINABasic Picture for Everyone南郵與信息時代：硬件-操作軟件-應(yīng)用軟件-業(yè)務(wù)Society文明-宗教-哲學(xué)-科學(xué)-技術(shù)-經(jīng)濟Life無米之炊-一盤散沙-宏偉藍圖-夢想成真Methodology自然辯證法到自由王國KnowledgeSFX、材料系統(tǒng)：畫象人生-點球波粒二象性：分形與四元結(jié)構(gòu)SFX-方法論-人生觀-價值觀知識點-SFX in Organic Electronics方法論-一個實踐的總結(jié)，偶然反應(yīng)，其他現(xiàn)象、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，自然之道人生觀-二分法-成功與失敗的教訓(xùn)

7、總結(jié)，劣勢翻轉(zhuǎn)之人才價值觀-Service是你的價值，contribution 是你的榮譽，社會框架2014-07-19清晨于青島-解令?？萍嫉赖滦杏谔煜?，文化！Next Generation Science Standards/E:XLH-2014-NJXIE-Society001_教學(xué)成果獎002_Next Generation Science Standards-NGSSThere are three ways to view the standards: View the NGSS inDisciplinary Core Idea (DCI)ArrangementsView the N

8、GSS inTopicArrangementsView andSearch the NGSS performance expectationsindividuallyThe NGSS are composed of thethree dimensionsfrom theNRC Framework. Click on the links to the left and see the videos below to learn more about the standards.Conceptual Shifts in the Next Generation Science StandardsSe

9、lf-similar Epistemology Starting from mathematicsSocial Networks當今科學(xué)研究與原始創(chuàng)新模式科學(xué)？文化經(jīng)濟技術(shù)社會從一個技術(shù)中學(xué)習(xí)知識點-方法論-人生觀-社會價值，然后回到自然科學(xué)起點，嘗試建立一個小的原始點，不斷把握機會，形成一項新技術(shù)，實現(xiàn)原始創(chuàng)新！Chemistry of the Devices化學(xué)的研究對象是微觀的分子從宏觀角度，研究對象也在發(fā)生在變化氣體-溶液-固體-薄膜器件一個新的分支為器件化學(xué)Chemistry of the CellProgramme overviewBachelor level course, Fu

10、ll timeCode: MOBA0215 creditsLund CampusStudy period: 03 Nov 2014 18 Jan 2015 Functional Organic Materials & Devices, FOM&DOutline- FOM&DWHY Should You Learn FOM&DMaterials and informationWhat do FOM&D consists ofBasic relation with other courseThe basic courses for FOM&DBasic requirement and others

11、Information AgeBig DataEverything is Everywhere Cloud, Social Service Platform, MobileBoundaryless Workplace后摩爾時代IC的挑戰(zhàn)與機遇How to challenge by nanotechnology and organic systems Energy issues- 能源戰(zhàn)略清潔能源 能源安全26清潔能源是國家發(fā)展的戰(zhàn)略需求！調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，向“霧霾”宣戰(zhàn) 新一屆國家能源委員會首次會議（2014年4月18日）歷史 2009 預(yù)測能源需求總量/quadrillion Btuhttp:/

12、oiaf/ieo/index.html中國能源需求急劇攀升，已超美國。Energy 需求27水利發(fā)電風(fēng)能發(fā)電潮汐發(fā)電核能發(fā)電太陽能發(fā)電發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)是解決未來能源問題的最佳方案！Energy 清潔能源28Health and Medicine疾病早期診斷，遠程醫(yī)療，靶向藥物治療，病人看護國防安全 and Climate changeCarbon/Plastic electronics in 21st CenturyCarbonNanotechnologyNature productsBio-medicine?InformationIn the 21st century, carbon be

13、come a key element for the application of information technology.Progress in Polymer Science綜述文章轉(zhuǎn)載32CostFabrication CostDevice SizeMaterialRequired ConditionsProcessOrganic Electronics$5 / ft2Low Capital10 ft x Roll to RollFlexible Plastic SubstrateAmbient ProcessingContinuous Direct PrintingSilicon

14、$100 / ft2$1-$10 billion 1m2Rigid Glass or MetalUltra CleanroomMulti-step Photolithography/ip1.nsf/sedan1?readform&unid=2D1FF1AC91C40AA985256D1A00616714在21世紀，碳成為重要的信息技術(shù)載體，如果能把握機會將重現(xiàn)曾經(jīng)美國硅谷輝煌歷程！AMOLED for cellular phone技術(shù)優(yōu)勢：自主發(fā)光、顏色豐富低工作電壓（ 5-10 V ）、低功耗超薄 (m級) 、大面積、寬視角響應(yīng)速度快、圖像逼真OLED have already been c

15、ommercializedThe Samsung Galaxy S II, with a Super AMOLED Plus screenC. W. Tang et al, Organic electroluminescence diode, Appl Phys Lett 1987, 51, 913; 2011 Wolf prize winner. Flexible ProductsBackground35Wearable technology- Wearable ComputerSmart TechnologySmart Building and CarArtificial Skin-Sen

16、sors and ActuatorsRobotics and RoyKirobo 和 Mirata 一樣，都擁有語音識別能力、自然語言處理能力、速度合成系統(tǒng)和面部識別能力，具備逼真的肢體語言。它們將參與到世界上首次人和機器人之間的太空對話試驗，另外也能在地球上和孩子一起互動。Type of Device or Cell in Terms of Function信息器件-Information Devices信息顯示、處理、傳輸、計算、邏輯、存儲器件能源器件-Energy Devices電池、電力器件、電容器醫(yī)療器件-Medical Devices成像、Bio-Chip、Micro-fluidi

17、c devices控制器件-Control Devices高靈敏電阻、傳感器、執(zhí)行器、MENS、電機Device, Equipment, Machine廣義的器件，包括設(shè)備與機器！有機電子信息顯示OLED革命性產(chǎn)品2020年將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值逾萬億美元曲面OLED電視柔性O(shè)LED手機屏OLED固體照明IC on PapersElectronics on Paper Flexible e-paper - Printed Electronics /Current, prototypical and emerging memory technologiesChallenge in informati

18、on storage: Storage density, Memory writing/erasing rate, Energy consumption, Stability (Retention/ WRER cycle), Cost, ScaleMemory TechnologiesNANDNORMRAMCurrentPrototypicalEmergingFeRAMPRAMRRAMMolecularPolymerEvolution of Memory TechnologiesMRAMPRAMRRAMNAND光伏電池單晶硅、多晶硅電池半導(dǎo)體薄膜電池 (Si, CdTe, CIGS )激子太陽

19、電池(OPV, DSSC)第一代第二代第三代效率低壽命較短高效、低成本、環(huán)境友好是太陽能電池發(fā)展的趨勢！優(yōu)勢輕便、柔性溶液加工，成本低廉原材料來源廣泛劣勢效率低壽命短優(yōu)勢效率高壽命長劣勢生產(chǎn)過程存在污染成本偏高什么是器件-Device or Cell一個單元，有輸入與輸出，能夠具有一定的功能一個器件如同一個細胞，即人造細胞基本分類：從功能角度分類、從輸入分類、從結(jié)構(gòu)分類Basic landscapes of organic devices電極 (Al) : 緩沖層聚合物活性層 電極(ITO) : 空穴 (hole) 傳輸層GlassFunction-organics-materials-dev

20、ices器件原理分類光、電、磁、聲、機械、離子、粒子等單一輸入和多層次輸入。電子信息時代-電子器件全光邏輯與光子時代- Lasing、optical amplify離子器件-Lithium batteries有緣器件與無源器件電子器件與光子器件的差別量子器件與量子計算Integrated Quantum Photonics無源量子光學(xué)器件以及集成電路Chemical cell or devicesA chemical cell converts chemical energy into electrical energy. Most batteries are chemical cells.

21、A chemical reaction takes place inside the battery and causes electric current to flow.There are two main types of batteries - those that are rechargeable and those that are not.器件結(jié)構(gòu)分類以電子學(xué)為例子，從真空器件、液體和固體器件、到薄膜器件、到纖維器件、到微納器件Fiber Devices不同材料類型的器件無機、碳納米、有機/聚合物、生物鈣鈦礦型太陽電池（PSSC）起源55DSSCOPVPSSC全固態(tài)太陽電池Wor

22、lds first all-carbon solar cell 全碳太陽能電池器件Organic/Polymer (Opto)ElectronicsSolid lightingOLED displaysPhotovoltaicOrganic LasersLG 55寸 OLED BiosensorsFlash memory57器件工藝方法器件集成工藝的變革是信息時代的關(guān)鍵從真空工藝到濕法加工工藝從光刻工藝、激光直寫技術(shù)、印刷技術(shù)、自組裝方法Deposition & Patterning for OLEDsSolution printing have more advantages than ot

23、hersOLED VS PLEDsOrganic/polymer Semiconductors: ProcessingEvaporation(small molecules):Solution processing (polymers):Printed electronics-a typical bottom-up procedures to information systems Printed ElectronicsFrederik C. KrebsMhlethalstrasse 69, 4800 Zofingen, Switzerland, Phone +41 62 751 57 27,

24、 Fax +41 62 751 85 02Slot-Die Coating of a High Performance Copolymer in a Readily Scalable Roll Process for Polymer Solar Cells. Integration Procedure集成工藝、電路設(shè)計與仿真、設(shè)備評價與測試Concept and structure of the user-interactive e-skinsystem-on-plasticEvaluation of Devices半導(dǎo)體參數(shù)儀和探針臺超凈實驗室多功能薄膜制備系統(tǒng)68噴墨打印機與有機電子課程之

25、間聯(lián)系Electronsorganics格物致理有機電子學(xué)中心任務(wù)描述電子如何在半導(dǎo)體、界面極其器件中運動及其規(guī)律Energy level diagram of organic devicesDevice performance can be guide by the energy level diagram in organic light-emitting devices, Organic photovoltaic, Organic transistorsJablonski Diagram (雅布隆斯基圖) to describe luminescence微結(jié)構(gòu)與器件性能的關(guān)系Molecu

26、lar packing effect on mobility and outcouplingFig. 2 Lengthscales and structures/architectures in synthetic andnatural systems of increasing complexity75器件中微納結(jié)構(gòu)表征通過x射線光電子能譜、拉曼光譜等多技術(shù)聯(lián)用，認知薄膜的表面形貌、結(jié)晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)缺陷等微結(jié)構(gòu)信息。材料表征儀器核磁波譜儀材料表征實驗室掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡瞬態(tài)/穩(wěn)態(tài)光譜儀76FOM&D-課程設(shè)置第一課、緒論與有機物概述第二課、有機導(dǎo)電材料第三課、有機電子器件第四課、有機

27、光子器件第五課、有機離子材料與器件第六課、有機機械器件第七課、有機器件系統(tǒng)及其集成第八課、有機光電功能材料的合成方法與技術(shù)第九課、碳納米材料與有機納米材料FOM&D-課題內(nèi)容第一、功能材料概述第二、結(jié)構(gòu)性能關(guān)系第三、器件制備方法第四、器件性能參數(shù)第四、器件表征方法第五、器件集成工藝FOM&D-教材Basic Reference and Requirements賀慶國、胡文平、白鳳蓮分子材料與薄膜器件化學(xué)工業(yè)出版社. 2011.FOM&D-主要參考書1 薛增泉分子電子學(xué)北京大學(xué)出版社，20052 劉東志功能性染料導(dǎo)論天津：科技翻譯出版公司，19963 吳世康，汪鵬飛有機電子學(xué)導(dǎo)論化學(xué)工業(yè)出版社，

28、20104 閆東航，王海波，杜寶勛有機半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)導(dǎo)論科學(xué)出版社，20085 黃春輝，李富友，黃巖誼光電功能超薄膜北京：北京大學(xué)出版社，20016 黃春輝，李富友，黃維有機電致發(fā)光材料與器件導(dǎo)論復(fù)旦大學(xué)出版社，20057 陳金鑫，黃孝文OLED有機電致發(fā)光材料與器件清華大學(xué)出版社，20078 黃維、密保秀、高志強，有機電子學(xué)導(dǎo)論科學(xué)出版社，2011.9 孔祥文，陳平，解令海，朱佩珣,有機化學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社. 2010-09. ISBN：9787122070371有機功能材料與器件其他參考書Complex Macromolecular ArchitecturesRequirement-與基礎(chǔ)課

29、的關(guān)系Basic Picture of Organic MoleculesAdvantages = Challenge碳和有機分子碳素的分形與系統(tǒng)有機分子：原子與共價鍵 有機分子的四元結(jié)構(gòu)有機合成及其分子制造CarbonelementsBiosystemsOrganicsPolymersNano-carbonThe Four Major Types of Macromolecules Found in Living CellsMacromoleculeElementsMonomerPolymerexampleCarbohydrateC, H, OSimple sugarsPolysacchar

30、ideStarchLipidsC, H, OFatty acids & glycerolLipidFats, oils, waxesProteinsC, H, O, N, SAmino acidsPolypeptidesInsulinNucleic acidsC, H, O, PNucleotidesNucleic acidsDNA Natural and synthetic polymersFig. 1 Structures of natural and synthetic polymers. Monomer units(a, i) can be assembled into defined

31、 (b) or random (ii) sequences.Further complexity is possible via regions of self-complementarity asin t-RNA (c), or in block copolymers (iii). Cross-linking of polymerchains occurs in both natural polymers via SS links in proteins (d) orin network polymers (iv). Combinations of blocks with complexar

32、chitectures can be found in glycoproteins (e) and dendrimers (v).Nanocarbon-based electronicsCNT and GrapheneBiomass for OrganicsBiomass energy, Biomass electricityBioenergy Production by Anaerobic DigestionDiscussion - CleanTech.Solar-Induced Fuel Cell Converts Biomass to ElectricityThe history of

33、fluorenesDiphenylenemethane; Fossil fuels and biomass在高溫焦油中的芴約含1.0-2.0%。從洗油餾分中切取290-310的芴餾分段，用相當于115塊理論塔板的蒸餾塔進行精密分餾，回流比為15：1，切取292-302窄餾分。通過冷卻，結(jié)晶，離心分離，得到粗芴，再用1：25的苯或二甲苯重結(jié)晶，則得工業(yè)芴。將工業(yè)芴溶于苯中，用40%的硫酸洗滌，再經(jīng)中和水洗，脫溶，將芴重新蒸餾，餾出物用汽油和乙醇重結(jié)晶，得純度為95%的純芴。芴是一種有機物，用于制醫(yī)藥（制造抗痙攣藥、鎮(zhèn)靜藥，鎮(zhèn)痛藥，降血壓藥）、染料（代替蒽醌合成陰丹士林染料）；合成殺蟲劑、除草劑；

34、制抗沖擊有機玻璃和芴醛樹脂；用作濕潤劑、洗滌劑、液體閃光劑、消毒劑等。用作有機合成原料；可制成三硝基芴酮，用于靜電復(fù)??；合成芳基透明尼龍。粗芴的本芴醇洗油中芴和氧芴的提取，Question is how to prapare fluorenes from biomass！Basic pathway for carbon atomsChemistry- Advanced Materials- Electronic Devices分子與有機分子原子的networks就是分子，其中連接線代表了共價鍵，當原子為碳時可以稱為有機分子！芳烴分子-有機半導(dǎo)體分子芳烴與雜芳烴分子類高遷移率分子材料Fluorene and its numerous and diverse building blocksCMSODFluorene have nature to extend in various directions due to the sp3 hybrized carbon95有機分子的四元結(jié)構(gòu)有機/聚合物半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)空間位阻構(gòu)象拓撲