有机功能材料与器件课件

1、有机功能材料与器件Functional Organic Materials & Devices, FOM&D 授课老师：解令海、冯全友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自我介绍- CMSODIAM团队CMSODIAM科学研究团队建设服务社会人才培养平台建设在科学研究方面，以分子制造、跨尺度化学、神经电子学、软机器人为核心研究方向在团队建设方面，我们是以黄维院士为大师引领、有我来主持工作的，共有12名老师组成的团体在平台建设方面依托重点实验室培养基和先进材料研究院以及材料科学与工程学院，建设超分子光电子平台（分子合成、纳米组装、高

3、分子材料和有机器件四个部分）！在人才培养方面，教学成果一等奖、小平创新团队、挑战杯一等奖在社会服务方面，在加上SFX商业化步伐，与试剂百灵威合作！CMSOD-重要进展1）有机半导体共性问题之一：有机半导体分子设计的基础原理探索以及应用1.1）SFX-based OLEDs1.2）PVK-PF-based PLEDs and Polymer Memory2）有机器件共性问题之二：溶液加工工艺方面探索及其水相加工技术3）有机器件共性问题之三：器件电极材料以及柔性器件5VIP评价：Highlighted by Nature Materials and Nature (Asia Materials)以

4、“可记忆的聚合物”为题，指出了解令海和他的同事论证了第一个基于构象转变的有机半导体非易失性闪存器件。6Nature Materials研究亮点有机纳米片及其绿色水相薄膜工艺水相加工方法：基于二维纳米片的高质量薄膜；实现了WORM（一次写入多次读取）型电存储；为有机电存储器件的环境友好工艺提供一条全新、有效的途径。Adv. Mater. 2013 doi: 10.1002/adma.201301280. Frontispieces7DVANCEDAMATERIALSwww.advmat.deILEY-VCHW有机化学（孔祥文，陈平，解令海，朱佩珣，化学工业出版社，2010年2月，ISBN: 97

5、8-7-122-07037-1）尝试螺环芳烃（SAH）写入教材有机化学教材获“国家十二五规划教材”人才培养的成果-林进义博士及其小平团队SFX及其OLED材料中试研发SFX及其OLED材料形成公开十余项专利，目前SFX正在江苏方圆环球显示技术（盐城）有限公司中试研发。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南邮与信息时代：硬件-操作软件-应用软件-业务Society文明-宗教-哲学-科学-技术-经济Life无米之炊-一盘散沙-宏伟蓝图-梦想成真Methodology自然辩证法到自由王国KnowledgeSFX、材料系统：画象人生-点球波粒二象性：分形与四元结构SFX-方法论-人生观-价值观知识点-SFX in Organic Electronics方法论-一个实践的总结，偶然反应，其他现象、规律的发现，自然之道人生观-二分法-成功与失败的教训

7、总结，劣势翻转之人才价值观-Service是你的价值，contribution 是你的荣誉，社会框架2014-07-19清晨于青岛-解令海科技道德行于天下，文化！Next Generation Science Standards/E:XLH-2014-NJXIE-Society001_教学成果奖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当今科学研究与原始创新模式科学？文化经济技术社会从一个技术中学习知识点-方法论-人生观-社会价值，然后回到自然科学起点，尝试建立一个小的原始点，不断把握机会，形成一项新技术，实现原始创新！Chemistry of the Devices化学的研究对象是微观的分子从宏观角度，研究对象也在发生在变化气体-溶液-固体-薄膜器件一个新的分支为器件化学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后摩尔时代IC的挑战与机遇How to challenge by nanotechnology and organic systems Energy issues- 能源战略清洁能源 能源安全26清洁能源是国家发展的战略需求！调整能源结构，向“雾霾”宣战 新一届国家能源委员会首次会议（2014年4月18日）历史 2009 预测能源需求总量/quadrillion Btuhttp:/

12、oiaf/ieo/index.html中国能源需求急剧攀升，已超美国。Energy 需求27水利发电风能发电潮汐发电核能发电太阳能发电发展太阳能发电技术是解决未来能源问题的最佳方案！Energy 清洁能源28Health and Medicine疾病早期诊断，远程医疗，靶向药物治疗，病人看护国防安全 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综述文章转载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世纪，碳成为重要的信息技术载体，如果能把握机会将重现曾经美国硅谷辉煌历程！AMOLED for cellular phone技术优势：自主发光、颜色丰富低工作电压（ 5-10 V ）、低功耗超薄 (m级) 、大面积、宽视角响应速度快、图像逼真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 一样，都拥有语音识别能力、自然语言处理能力、速度合成系统和面部识别能力，具备逼真的肢体语言。它们将参与到世界上首次人和机器人之间的太空对话试验，另外也能在地球上和孩子一起互动。Type of Device or Cell in Terms of Function信息器件-Information Devices信息显示、处理、传输、计算、逻辑、存储器件能源器件-Energy Devices电池、电力器件、电容器医疗器件-Medical Devices成像、Bio-Chip、Micro-fluidi

17、c devices控制器件-Control Devices高灵敏电阻、传感器、执行器、MENS、电机Device, Equipment, Machine广义的器件，包括设备与机器！有机电子信息显示OLED革命性产品2020年将带动相关产业产值逾万亿美元曲面OLED电视柔性OLED手机屏OLED固体照明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光伏电池单晶硅、多晶硅电池半导体薄膜电池 (Si, CdTe, CIGS )激子太阳

19、电池(OPV, DSSC)第一代第二代第三代效率低寿命较短高效、低成本、环境友好是太阳能电池发展的趋势！优势轻便、柔性溶液加工，成本低廉原材料来源广泛劣势效率低寿命短优势效率高寿命长劣势生产过程存在污染成本偏高什么是器件-Device or Cell一个单元，有输入与输出，能够具有一定的功能一个器件如同一个细胞，即人造细胞基本分类：从功能角度分类、从输入分类、从结构分类Basic landscapes of organic devices电极 (Al) : 缓冲层聚合物活性层 电极(ITO) : 空穴 (hole) 传输层GlassFunction-organics-materials-dev

20、ices器件原理分类光、电、磁、声、机械、离子、粒子等单一输入和多层次输入。电子信息时代-电子器件全光逻辑与光子时代- Lasing、optical amplify离子器件-Lithium batteries有缘器件与无源器件电子器件与光子器件的差别量子器件与量子计算Integrated Quantum Photonics无源量子光学器件以及集成电路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.器件结构分类以电子学为例子，从真空器件、液体和固体器件、到薄膜器件、到纤维器件、到微纳器件Fiber Devices不同材料类型的器件无机、碳纳米、有机/聚合物、生物钙钛矿型太阳电池（PSSC）起源55DSSCOPVPSSC全固态太阳电池Wor

22、lds first all-carbon solar cell 全碳太阳能电池器件Organic/Polymer (Opto)ElectronicsSolid lightingOLED displaysPhotovoltaicOrganic LasersLG 55寸 OLED BiosensorsFlash memory57器件工艺方法器件集成工艺的变革是信息时代的关键从真空工艺到湿法加工工艺从光刻工艺、激光直写技术、印刷技术、自组装方法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集成工艺、电路设计与仿真、设备评价与测试Concept and structure of the user-interactive e-skinsystem-on-plasticEvaluation of Devices半导体参数仪和探针台超净实验室多功能薄膜制备系统68喷墨打印机与有机电子课程之

25、间联系Electronsorganics格物致理有机电子学中心任务描述电子如何在半导体、界面极其器件中运动及其规律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 (雅布隆斯基图) to describe luminescence微结构与器件性能的关系Molecu

26、lar packing effect on mobility and outcouplingFig. 2 Lengthscales and structures/architectures in synthetic andnatural systems of increasing complexity75器件中微纳结构表征通过x射线光电子能谱、拉曼光谱等多技术联用，认知薄膜的表面形貌、结晶形态、结构缺陷等微结构信息。材料表征仪器核磁波谱仪材料表征实验室扫描电子显微镜透射电子显微镜瞬态/稳态光谱仪76FOM&D-课程设置第一课、绪论与有机物概述第二课、有机导电材料第三课、有机电子器件第四课、有机

27、光子器件第五课、有机离子材料与器件第六课、有机机械器件第七课、有机器件系统及其集成第八课、有机光电功能材料的合成方法与技术第九课、碳纳米材料与有机纳米材料FOM&D-课题内容第一、功能材料概述第二、结构性能关系第三、器件制备方法第四、器件性能参数第四、器件表征方法第五、器件集成工艺FOM&D-教材Basic Reference and Requirements贺庆国、胡文平、白凤莲分子材料与薄膜器件化学工业出版社. 2011.FOM&D-主要参考书1 薛增泉分子电子学北京大学出版社，20052 刘东志功能性染料导论天津：科技翻译出版公司，19963 吴世康，汪鹏飞有机电子学导论化学工业出版社，

28、20104 闫东航，王海波，杜宝勋有机半导体异质结导论科学出版社，20085 黄春辉，李富友，黄岩谊光电功能超薄膜北京：北京大学出版社，20016 黄春辉，李富友，黄维有机电致发光材料与器件导论复旦大学出版社，20057 陈金鑫，黄孝文OLED有机电致发光材料与器件清华大学出版社，20078 黄维、密保秀、高志强，有机电子学导论科学出版社，2011.9 孔祥文，陈平，解令海，朱佩珣,有机化学.化学工业出版社. 2010-09. ISBN：9787122070371有机功能材料与器件其他参考书Complex Macromolecular ArchitecturesRequirement-与基础课

29、的关系Basic Picture of Organic MoleculesAdvantages = Challenge碳和有机分子碳素的分形与系统有机分子：原子与共价键 有机分子的四元结构有机合成及其分子制造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在高温焦油中的芴约含1.0-2.0%。从洗油馏分中切取290-310的芴馏分段，用相当于115块理论塔板的蒸馏塔进行精密分馏，回流比为15：1，切取292-302窄馏分。通过冷却，结晶，离心分离，得到粗芴，再用1：25的苯或二甲苯重结晶，则得工业芴。将工业芴溶于苯中，用40%的硫酸洗涤，再经中和水洗，脱溶，将芴重新蒸馏，馏出物用汽油和乙醇重结晶，得纯度为95%的纯芴。芴是一种有机物，用于制医药（制造抗痉挛药、镇静药，镇痛药，降血压药）、染料（代替蒽醌合成阴丹士林染料）；合成杀虫剂、除草剂；

34、制抗冲击有机玻璃和芴醛树脂；用作湿润剂、洗涤剂、液体闪光剂、消毒剂等。用作有机合成原料；可制成三硝基芴酮，用于静电复印；合成芳基透明尼龙。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分子与有机分子原子的networks就是分子，其中连接线代表了共价键，当原子为碳时可以称为有机分子！芳烃分子-有机半导体分子芳烃与杂芳烃分子类高迁移率分子材料Fluorene and its numerous and diverse building blocksCMSODFluorene have nature to extend in various directions due to the sp3 hybrized carbon95有机分子的四元结构有机/聚合物半导体电子结构空间位阻构象拓扑