有機電光材料的太赫茲關(guān)鍵性能研究.pdf

1、太赫茲技術(shù)在通信、雷達、安檢、射電天文、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域中的重要價值得到當(dāng)今科學(xué)界愈益增加的認(rèn)可。在這一新興科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，太赫茲輻射產(chǎn)生與檢測的能力與水平成為推動太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。利用電光材料的光整流效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波、電光取樣技術(shù)檢測太赫茲波，是實現(xiàn)寬頻帶太赫茲波產(chǎn)生和檢測的常用方法之一。相比傳統(tǒng)的電光晶體材料，有機電光材料具有非線性光學(xué)系數(shù)大、響應(yīng)速度快、無聲子吸收帶隙等優(yōu)點，并可根據(jù)需求進行分子設(shè)計、修飾，易于提高材料性能，在

2、太赫茲技術(shù)研究中得到了廣泛的關(guān)注。其中，高數(shù)密度單組分有機電光材料以其在電光性能方面的巨大潛力，近年來迅速成為電光材料領(lǐng)域關(guān)注的熱點。然而，為了使這類材料能夠滿足太赫茲波產(chǎn)生與檢測的應(yīng)用要求，必須對包括電光活性、熱穩(wěn)定性和吸收損耗等材料關(guān)鍵性能進行進一步的綜合優(yōu)化。本文分析了電場極化引入發(fā)色團取向過程中的電導(dǎo)機理，利用固態(tài)器件工程概念減少泄漏電流，提高了單組分有機電光材料的電光系數(shù)；建立了單組分有機電光材料固有極化效率的評估標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)地

3、研究了單組分有機電光發(fā)色團的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，拓展了分子結(jié)構(gòu)對材料重要性能影響的認(rèn)知體系；探索研究了有機電光材料在太赫茲頻段折射率和吸收系數(shù)的快速表征方法。具體研究內(nèi)容包括：
　　1.苯并環(huán)丁烯阻擋層對極化過程中器件電導(dǎo)的抑制研究。單組分有機電光材料由于材料體系中有機電光發(fā)色團數(shù)密度的增加，大大提高了電光性能，但也因此導(dǎo)致材料電導(dǎo)率的增加，其引發(fā)的泄漏電流在極化過程中限制發(fā)色團分子的取向，成為實現(xiàn)大的電光系數(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)。本文通過

4、對極化過程中泄漏電流本質(zhì)的理解和器件電導(dǎo)機理的分析，提出了在電極和電光材料層的交界面引入苯并環(huán)丁烯阻擋層，以阻止電荷注入。研究了阻擋層厚度對材料電光活性實現(xiàn)的影響，確定了阻擋層的最優(yōu)厚度區(qū)間。苯并環(huán)丁烯阻擋層的使用，有效降低了極化過程中的泄漏電流或器件電導(dǎo)，保持有效極化電壓與外加電壓近似相等，顯著提高了高數(shù)密度單組分有機電光材料的電光系數(shù)，所觀察到的最大電光系數(shù)是無阻擋層器件的2倍左右。其中，材料JRD1在極化電場大于85 Vμm-1的

5、條件下，多次測試的電光系數(shù)超過之前報道的最大值400 pm V-1，并獲得了目前所報道的最大電光系數(shù)556 pm V-1。對比實驗證明苯并環(huán)丁烯阻擋層對泄漏電流的抑制度比目前最常用的二氧化鈦阻擋層提高了一至兩個數(shù)量級。
　　2.單組分有機電光材料極化效率的評估標(biāo)準(zhǔn)研究。單組分有機電光材料的高電導(dǎo)率問題導(dǎo)致極化過程中電場強度的明顯降低，之前沿用的以外加電場強度作為極化電場強度的方法不能準(zhǔn)確計算此類材料的極化效率。針對這個問題，本文提

6、出用極化過程中的平均電場強度作為極化電場值，通過電壓數(shù)據(jù)的分段擬合進行計算。極化電場的這種修正算法充分考慮了極化過程中電場強度下降對電光系數(shù)的影響，使得從傳統(tǒng)器件的電光特性表征中就能準(zhǔn)確地評估單組分發(fā)色團的實際電光性能。
　　3.單組分有機電光發(fā)色團的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系研究。單組分有機電光材料在應(yīng)用中有兩個潛在的不利條件：一是部分單組分有機電光發(fā)色團易結(jié)晶，發(fā)生相位分離；二是這類材料熱穩(wěn)定性（主要反映在玻璃化溫度）普遍偏低，降低工作裝置

7、的可靠性和壽命。針對這個問題，本文研究了有機電光發(fā)色團的結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)系，通過對現(xiàn)有分子結(jié)構(gòu)的漸進式改變，探索分子修飾對材料的最大電光系數(shù)、極化效率、玻璃化溫度和電導(dǎo)率等重要參數(shù)的影響。提出采用體積較大的叔丁基二苯基硅烷基團對電子給體進行修飾，以促進非晶態(tài)薄膜的形成和極化效率的提高。在此基礎(chǔ)上，通過在電子橋上增加咔唑位置隔離基團，有效減小了分子間的偶極-偶極相互作用，制備出的材料極化效率約為3 nm2/V2，是目前報道的最高值，并且玻璃化溫

8、度提高到100?C以上，比已見報道的同類材料提高了20-40?C。
　　4.超薄聚合物膜在太赫茲頻段的光學(xué)特性研究。有機電光材料在太赫茲波產(chǎn)生與檢測中的應(yīng)用需要解決相位匹配和吸收損耗問題，因此在選擇材料時，需要知道材料的折射率和吸收系數(shù)。傳統(tǒng)測試方法要求待測樣品厚度較大，存在與厚膜制作加工相關(guān)的一系列難題。本文探索性研究了利用衰減全反射技術(shù)在有機電光材料超薄薄膜上進行折射率和吸收系數(shù)測試的方法，提出了應(yīng)用于該測試方法的新的器件結(jié)構(gòu)