有机光电材料与器件

本书系统扼要地介绍了有机光电材料的基本概念、原理、材料类型及其相关器件的制作、性能与应用知识。全书涉及的有机光电材料类型主要包括：有机荧光传感材料、有机光致变色材料、有机电致变色材料、有机电致发光和液晶显示材料、有机光电导体材料、有机场效应晶体管材料、有机太阳能转换材料、有机强双光子吸收材料、有机光存储材料等。各章均附有习题与参考文献，有利于读者自学、复习与巩固。
本书可作为高等院校功能材料专业及相关专业的教科书，也可供相关专业的研究生和科研人员自学参考。

第1章 物质吸收光谱与颜色 1
1.1 光的基本性质 1
1.2 电子跃迁 2
1.2.1 基态与激发态 2
1.2.2 电子跃迁类型 3
1.2.3 跃迁允许与跃迁禁阻 3
1.3 紫外-可见吸收光谱 4
1.3.1 吸收光的条件 4
1.3.2 朗伯-比耳定律 4
1.3.3 紫外-可见吸收光谱 5
1.3.4 紫外-可见吸收光谱仪 6
1.4 影响紫外-可见吸收光谱的因素 6
1.4.1 常见术语 6
1.4.2 共轭效应 7
1.4.3 空间效应 9
1.4.4 溶剂效应 10
1.4.5 取代基效应 12
1.4.6 浓度效应 13
1.4.7 分子聚集体的吸收光谱 14
1.5 分子结构与颜色 15
1.5.1 基本概念 15
1.5.2 偶氮化合物 17
1.5.3 卟啉化合物 18
1.5.4 酞菁化合物 19
1.5.5 茋类化合物 21
1.6 染料的分类与应用 21
1.6.1 偶氮染料 22
1.6.2 蒽醌染料 23
1.6.3 靛族染料 23
1.6.4 芳甲烷类染料 23
1.6.5 菁系染料 25
1.6.6 酞菁染料 25
1.6.7 活性染料 25
参考文献 26
思考题 27

第2章 物质荧光与荧光传感 31
2.1 激发态及其衰变 31
2.1.1 单线态、三线态 31
2.1.2 激发态衰变（辐射衰变、
非辐射衰变） 31
2.1.3 荧光、磷光 32
2.1.4 内转换（IC）和系间窜越
（ISC） 32
2.1.5 激发态衰变能级图 32
2.2 荧光光谱 33
2.2.1 荧光发射光谱 33
2.2.2 荧光光谱一般特征 33
2.2.3 荧光性质 35
2.3 影响荧光性质的因素 37
2.3.1 共轭效应 37
2.3.2 平面效应 38
2.3.3 取代基效应 38
2.3.4 溶剂效应 39
2.3.5 浓度效应与聚集态荧光 42
2.3.6 其他因素 44
2.4 磷光发射 45
2.5 辐射能量转移与非辐射能量转移 46
2.5.1 辐射能量转移 47
2.5.2 非辐射能量转移 50
2.5.3 Stern-Volmer猝灭方程 50
2.6 荧光化学传感器 52
2.6.1 荧光传感分子结构 52
2.6.2 荧光传感器信号表达 53
2.6.3 荧光传感分子实例 55
参考文献 58
思考题 59

第3章 光致变色与电致变色材料 62
3.1 光致变色现象 62
3.1.1 变色材料 62
3.1.2 光致变色概念 62
3.1.3 光致变色机理 62
3.2 光致变色材料 62
3.2.1 偶氮化合物 63
3.2.2 水杨醛缩芳胺 64
3.2.3 二芳基乙烯类衍生物 65
3.2.4 螺吡喃类化合物 67
3.2.5 俘精酸酐与周环反应 67
3.3 光致变色材料的应用 68
3.3.1 光开关器件 68
3.3.2 光信息存储 68
3.4 电致变色材料 70
3.4.1 紫精衍生物 70
3.4.2 金属酞菁 71
3.4.3 聚苯胺 72
3.4.4 多联吡啶金属配合物 72
3.4.5 电致变色性能 75
3.4.6 电致变色器件 78
3.4.7 电致变色器件的应用 78
3.5 酸致变色 79
参考文献 80
思考题 80

第4章 有机光电显示材料与器件 82
4.1 显示材料与技术 82
4.2 液晶显示（LCD）材料 82
4.2.1 液晶概念 82
4.2.2 液晶分类 82
4.2.3 液晶分子结构 83
4.2.4 液晶相结构 83
4.2.5 液晶畴结构 85
4.2.6 液晶材料物理性能 86
4.2.7 液晶显示屏 90
4.3 有机电致发光器件（OLED） 91
4.3.1 OLED研究进程 91
4.3.2 OLED结构与产品 91
4.3.3 OLED发光原理 93
4.3.4 OLED性能指标 94
4.3.5 OLED材料 96
4.3.6 提高OLED器件性能的关键
因素 100
4.3.7 OLED制作工艺 104
参考文献 105
思考题 106

第5章 有机场效应管材料与
器件 107
5.1 无机半导体三极管 107
5.1.1 半导体基本知识 107
5.1.2 半导体二极管 108
5.1.3 半导体三极管 109
5.2 有机场效应晶体管 110
5.2.1 基本概述 110
5.2.2 有机场效应管（OFET）的
结构 111
5.2.3 有机场效应管的工作原理 112
5.3 影响OFET性能的关键因素 112
5.3.1 迁移率 112
5.3.2 开／关比 113
5.3.3 阈值电压 113
5.3.4 不饱和区和饱和区 114
5.4 有机场效应管材料 114
5.4.1 有机半导体材料 114
5.4.2 电极材料 117
5.4.3 绝缘层材料 118
5.4.4 衬底材料 118
5.5 有机场效应管件的制作 118
5.5.1 一般方法 118
5.5.2 丝网印刷 119
5.5.3 喷墨打印 119
参考文献 119
思考题 120

第6章 有机太阳能转换材料与
器件 122
6.1 太阳光谱与太阳能利用 122
6.1.1 太阳光谱 122
6.1.2 太阳能源利用 122
6.2 全固态太阳能电池 123
6.2.1 无机太阳能电池工作原理 123
6.2.2 有机太阳能电池工作原理 123
6.2.3 有机太阳能电池性能参数 124
6.2.4 全固态太阳能电池结构 125
6.2.5 有机活性层材料 127
6.3 染料敏化太阳能电池（DSSC） 130
6.3.1 染料敏化技术 130
6.3.2 DSSC器件结构 131
6.3.3 DSSC器件工作原理 131
6.3.4 DSSC器件材料 132
6.3.5 提高DSSC器件效率的
因素 134
6.4 太阳能转换化学能 134
6.4.1 自然界光合作用 134
6.4.2 太阳能分解水制氢 136
6.5 太阳能-热能转换材料与器件 137
6.6 太阳能荧光器（SFD） 138
参考文献 139
思考题 140

第7章 有机光导体材料与器件 141
7.1 有机光导体原理 141
7.1.1 有机光导体概念 141
7.1.2 有机光导体导电原理 141
7.2 有机光导体性能参数 142
7.2.1 光电导量子产率( ) 142
7.2.2 光敏感性 142
7.2.3 光电导性能 143
7.3 有机光导体材料 144
7.3.1 酞菁与金属酞菁 144
7.3.2 聚乙烯基咔唑（PVK） 146
7.3.3 含聚乙烯基咔唑复合物 146
7.3.4 方菁染料 148
7.4 有机光导器件（OPCD） 149
7.4.1 OPC器件组成 149
7.4.2 OPC器件结构 149
7.4.3 OPC器件工作原理 149
7.4.4 光导器件光源 150
7.4.5 光导器件评价指标 150
参考文献 150
思考题 150

第8章 光聚合材料及其应用 151
8.1 光谱敏化原理 151
8.1.1 光物理与光化学过程 151
8.1.2 光化学量子效率（ ） 151
8.1.3 光谱敏化剂（光敏剂） 151
8.1.4 光谱敏化原理 152
8.2 感光高分子材料 154
8.2.1 肉桂酸酯类 154
8.2.2 重氮类感光高分子 155
8.2.3 叠氮类感光高分子 155
8.3 光聚合反应 157
8.3.1 自由基光聚合反应 157
8.3.2 阳离子光聚合反应 158
8.4 光刻与封装 160
8.4.1 光刻胶 160
8.4.2 光刻工艺 160
8.4.3 环氧树脂密封胶 162
8.4.4 器件封装 163
参考文献 164
思考题 164

第9章 双光子吸收材料及其应用 166
9.1 双光子吸收现象 166
9.1.1 非线性光学现象 166
9.1.2 双光子吸收现象 166
9.2 双光子吸收效应的应用 168
9.2.1 光限幅效应 168
9.2.2 双光子激射与双光子荧光 170
9.2.3 双光子信息存储 173
9.2.4 双光子动力疗法 175
9.2.5 双光子微纳制作 177
9.3 强双光子吸收材料 180
9.3.1 分子内电荷转移 181
9.3.2 共轭体系 181
9.3.3 分子结构对称性 182
9.3.4 拓扑结构分子 184
9.4 双光子性能测试 192
9.4.1 激光产生原理 192
9.4.2 激光器的分类 193
9.4.3 双光子性能测试 193
9.5 双光子研究最新进展 196
参考文献 199
思考题 200

第10章 有机光电存储材料与
器件 202
10.1 信息存储 202
10.1.1 存储介质与存储器件 202
10.1.2 存储方式 202
10.2 光信息存储技术 203
10.2.1 反射率/折射率变化 203
10.2.2 光谱性质变化 203
10.2.3 高密度光存储技术 205
10.2.4 扫描探针显微技术 206
10.3 有机光存储材料 207
10.3.1 二芳基乙烯 207
10.3.2 螺吡喃、螺?嗪 207
10.3.3 偶氮苯类化合物 208
10.3.4 俘精酸酐类化合物 208
10.3.5 光致变色席夫碱 208
10.3.6 聚合物存储材料 209
10.4 有机电存储器件 209
10.4.1 有机电存储器件结构 209
10.4.2 有机存储器工作原理 210
10.4.3 有机电存储器性能 210
10.5 有机电存储材料 211
10.5.1 有机D- -A分子 211
10.5.2 分子间电荷转移复合物 213
10.5.3 有机无机纳米杂化材料 214
10.5.4 有机金属配合物材料 214
10.5.5 有机聚合物材料 215
10.6 有机电存储器件机理 215
10.6.1 电荷转移引起导电性转变 215
10.6.2 构型转变引起导电性转变 216
10.6.3 氧化还原引起导电性转变 216
10.6.4 载流子捕获引起导电性
转变 217
10.6.5 相变引起导电性转变 217
10.7 有机电存储器件的研究 218
10.7.1 器件制作工艺 218
10.7.2 吸收光谱研究法 218
10.7.3 电化学研究方法 220
10.7.4 电流-电压曲线研究法 221
10.7.5 光场中电流-电压曲线 221
10.7.6 器件稳定性测试 223
参考文献 224
思考题 224

光与电的物理本质有着内在联系，在特定条件下可相互转化。自20世纪80年代，有机光电功能材料日益凸显出它在材料学科中的重要地位，促进了材料、信息与能源等多学科交叉与融合，由此衍生出有机电子学和塑料光电子学等新兴交叉学科。
有机光电材料是一类具有光电活性的有机化合物（或聚合物或复合物），在其分子尺度上可实现对电子运动的调控，又称为有机半导体。基于有机半导体的新一代光电集成器件，如显示和照明器件、晶体管、太阳能电池、传感器等，具有光电响应快、易加工性、低成本、重量轻、柔性和可大面积制备等优点。因此，有机光电子材料和器件是当今国际最为活跃的前沿研究领域之一。
笔者于2007年获得江苏省高等学校立项精品教材基金（批准号SG315726）资助，在此项目启动下，参考了有关的专著和文献，并结合本人多年科研成果完成本书。
本教材系统扼要地介绍了有机光电材料与器件基本概念、原理及应用。全书共分10章。第1、2章是光电材料的入门知识，侧重于介绍分子水平上的吸收与荧光概念，并简单介绍了聚集态的吸收与荧光，此外还介绍了分子内与分子间能量转移和荧光传感器相关知识。第3章变色材料与分子器件，包括在光、电驱动下的分子变色机理、基本概念及其相关应用。信息社会”显示”无处不在，如电脑屏幕显示和手机图像显示等。有机液晶显示与电致发光材料由于低功耗、性能优越，成为第二、三代显示材料。第4章重点介绍液晶的取向与液晶性能，围绕电致发光器件介绍各类材料的作用与器件制作原理。第5章有机场效应晶体管与材料，侧重介绍场效应晶体的结构与性能参数。新能源材料为国家战略性新兴产业新材料，太阳能材料为当前极为活跃的研究领域。第6章有机太阳能转换材料与器件，重点介绍太阳光的电/热/化学能转换材料的基本原理与器件等相关知识。第7章介绍有机光导体材料与器件。考虑到有机光电器件需要了解封装材料知识，第8章中介绍光聚合材料及其应用。第9章双光子吸收材料及其应用，这是一个与激光技术应运而生的领域，本章将介绍双光子吸收基本概念、应用原理、分子设计与构效关系，最后介绍弱光上转换研究最新进展。信息技术迫切需求存储技术与存储材料取得突破，第10章介绍有机光电存储材料与器件，重点介绍电存储原理、材料与电存储器件性能研究方法。
在本教材出版之际，我要特别感谢山东大学晶体材料国家重点实验室蒋民华院士。蒋先生在20世纪90年代提出”电荷转移对称性与强双光子吸收关系”研究方向，我有幸得到老师的悉心指导并荣获2003年全国优秀博士学位论文奖，这些为编写本教材打下了非常好的基础。
借此机会，笔者衷心感谢国家自然科学基金项目（50273024，50673070，50973077和51273141）和全国优秀博士学位论文作者专项基金项目（FANEDD 200333）的资助，感谢山东大学晶体材料国家重点实验室十多年来的资助。此外，还要感谢我的全体研究生，他们的研究成果进一步丰富了本教材的内容。最后，感谢化学工业出版社编辑给予的大力帮助和有效的审阅。
由于我们的学识所限，所涉及的内容不妥之处在所难免，敬请各方面的专家学者以及广大读者不吝指正。

王筱梅
2013年3月于苏州