Electronic and Optical Properties of Conjugated Polymers pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Barford, William

出品人:

页数:278

译者:

出版时间:2009-1

价格:$ 84.75

装帧:

isbn号码:9780199553785

丛书系列:

图书标签:

Conjugated Polymers
Organic Electronics
Polymer Physics
Optical Properties
Electronic Properties
Materials Science
Polymer Chemistry
Semiconducting Polymers
Thin Film
Photovoltaics

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具体描述

Conjugated polymers have important technological applications, including solar cells and light emitting displays. They are also active components in many important biological processes. In recent years there have been significant advances in our understanding of these systems, owing to both improved experimental measurements and the development of advanced computational techniques. The aim of this book is to describe and explain the electronic and optical properties of conjugated polymers. It focuses on the character and energetic ordering of the electronic states and relates these properties to experimental observations in real systems. A number of important optical and electronic processes in conjugated polymers are also described.

聚合物光电子学：设计、合成与器件应用摘要本书深入探讨了共轭聚合物在光电子器件中的核心作用，重点关注其电子与光学性质的关联性，以及如何通过精细的分子设计与合成策略，实现性能的优化和功能的拓展。全书内容围绕着构建高效、稳定、多功能聚合物光电子材料展开，从基础的分子结构与电子理论出发，逐步深入到器件的构建原理、性能表征以及前沿的应用探索。本书旨在为研究人员、工程师及相关领域的学生提供一份全面而深入的参考，帮助他们理解共轭聚合物光电子学的内在机制，并掌握其在有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OSC）、有机薄膜晶体管（OTFT）等领域的实际应用。第一章：共轭聚合物的分子结构与基本电子性质本章将从共轭聚合物最基本的分子结构单元出发，详细阐述共轭体系的形成机制及其对电子离域化的影响。我们将深入解析π电子共轭的原理，包括其在聚合物主链上的延伸，以及由此产生的能带结构。不同类型的共轭单元，如苯、噻吩、吡咯、呋喃等，其电子性质的细微差异及其在聚合物链中的排列方式，将如何影响整个材料的带隙、载流子迁移率等关键参数，将得到详尽的讨论。 1.1 共轭体系的形成与发展：介绍π键的形成，交替单双键结构如何导致电子云的离域，以及这种离域对电子行为的影响。 1.2 分子轨道理论在共轭聚合物中的应用：解释HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占据分子轨道）的概念，以及它们在决定聚合物的电子传输和光学吸收/发射性质中的关键作用。 1.3 共轭单元的种类及其电子效应：详细对比不同共轭单体（如噻吩、苯、吡咯、乙炔基等）的电子结构，分析其对HOMO/LUMO能级、带隙、共轭长度的影响。 1.4 聚合物链的结构对电子性质的影响：讨论聚合物链的刚性、平面性、链间堆积（π-π堆积）等因素如何影响载流子传输和激子扩散。 1.5 掺杂与退掺杂：阐述如何通过掺杂（p型或n型）来调节共轭聚合物的载流子浓度和导电性，以及退掺杂过程。第二章：共轭聚合物的光学性质：吸收、发射与能量转移光学性质是共轭聚合物在光电器件中发挥作用的基础。本章将聚焦于聚合物的光吸收、光致发光（PL）以及激子在聚合物链内和链间的能量转移机制。我们将深入研究影响吸收光谱和发射光谱的因素，如共轭长度、分子内/分子间相互作用、溶剂效应以及固态效应。 2.1 光吸收光谱：分析共轭聚合物的紫外-可见吸收光谱，讨论其与分子结构、共轭长度、分子间堆积的关系，以及不同吸收峰的物理意义（如π-π跃迁）。 2.2 光致发光（PL）光谱：深入研究聚合物的PL特性，包括发射峰位置、峰宽、荧光量子产率等。探讨影响发光效率的因素，如激子衰减途径（辐射和非辐射过程）、分子聚集体的影响。 2.3 激子形成、扩散与淬灭：解释光吸收后激子的形成过程，激子在聚合物链内和链间的扩散机制，以及激子发生淬灭的各种途径（如聚集体、缺陷、能量转移）。 2.4 能量转移机制（FRET与Dexter）：讨论荧光共振能量转移（FRET）和Dexter能量转移等在多组分体系中的能量传递过程，以及其在器件设计中的重要性。 2.5 光学性质的调控：介绍如何通过改变共轭结构、引入取代基、调控聚合物聚集态结构等方法来调控其光学性质。第三章：共轭聚合物的合成策略与分子设计实现高性能的光电器件，关键在于设计与合成具有特定电子与光学性质的共轭聚合物。本章将系统介绍目前主流的共轭聚合物合成方法，并探讨如何通过分子设计来优化聚合物的性能。我们将关注聚合反应的选择性、产率、分子量控制，以及如何通过引入功能性侧链来改善溶解性、加工性、薄膜形貌以及与器件界面材料的匹配性。 3.1 经典聚合方法： 3.1.1 Stille偶联反应：介绍基于有机锡试剂与有机卤化物或三氟甲磺酸酯的交叉偶联反应，其优点、局限性及应用。 3.1.2 Suzuki偶联反应：详细阐述有机硼酸或硼酸酯与有机卤化物或三氟甲磺酸酯在钯催化下的偶联反应，分析其在构建复杂共轭结构中的应用。 3.1.3 Yamamoto偶联反应：介绍基于镍催化剂的偶联方法，特别适用于对称性单体。 3.1.4 Direct Arylation Polymerization (DAP)：探讨近年来兴起的直接芳基化聚合方法，其原子经济性和绿色化学优势。 3.2 分子设计原则： 3.2.1 共轭单元的选择与组合：如何通过选择不同的共轭单元（给体-受体单元、非平面单元等）来调控带隙、HOMO/LUMO能级。 3.2.2 侧链工程：讨论引入烷基链、烷氧基链、氟代烷基链等对聚合物溶解性、加工性、薄膜形貌、链间堆积的影响。 3.2.3 引入功能性基团：如何通过引入吸电子基团、给电子基团、交联位点等来赋予聚合物特定的功能。 3.3 聚合反应条件的优化：讨论催化剂的选择、溶剂、温度、反应时间等对聚合物分子量、分子量分布、聚合度及结构规整性的影响。 3.4 结构表征技术：介绍核磁共振谱（NMR）、凝胶渗透色谱（GPC）、质谱（MS）等表征手段用于确认聚合物结构和分子量。第四章：共轭聚合物在有机发光二极管（OLED）中的应用 OLED作为一种重要的显示和照明技术，其核心发光层通常由共轭聚合物构成。本章将深入分析共轭聚合物在OLED器件中的作用机理，包括载流子注入、传输、激子复合以及光子辐射过程。我们将重点介绍影响OLED器件性能的关键因素，如发光效率、颜色纯度、器件寿命等，并探讨如何通过聚合物材料的设计和器件结构的优化来提升OLED性能。 4.1 OLED器件结构与工作原理：详细介绍OLED的基本结构（阳极、空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、阴极）和工作流程。 4.2 聚合物发光层材料的设计： 4.2.1 荧光发光材料：讨论如何设计具有高荧光量子产率和特定发光颜色的聚合物。 4.2.2 磷光发光材料：介绍如何通过引入重原子效应来设计磷光发光聚合物，实现高内量子效率。 4.2.3 热激活延迟荧光（TADF）材料：探讨TADF聚合物的发光机制及其在提高OLED效率中的潜力。 4.3 载流子注入与传输：分析聚合物材料的HOMO/LUMO能级与电极功函数、界面层的匹配性，以及载流子迁移率对器件性能的影响。 4.4 激子复合与能量传递：深入研究激子在发光层中的形成、扩散、复合以及能量转移过程，以及其对发光效率和颜色均匀性的影响。 4.5 器件性能优化策略： 4.5.1 材料选择与配方设计：如何选择合适的聚合物主体材料、掺杂发光体以及界面层材料。 4.5.2 薄膜形貌控制：讨论溶液加工（旋涂、喷墨打印等）过程如何影响聚合物薄膜的结晶度、畴结构和界面质量。 4.5.3 器件结构工程：介绍多层结构、器件尺寸优化等对发光效率和颜色的影响。 4.6 器件稳定性与寿命：分析聚合物材料在电场、热、氧气、水分等因素作用下的降解机制，以及提高器件稳定性的方法。第五章：共轭聚合物在有机太阳能电池（OSC）中的应用有机太阳能电池（OSC）作为一种廉价、轻质、柔性的光伏技术，其关键在于高效的光吸收和电荷分离/传输。本章将重点探讨共轭聚合物作为给体材料在本体异质结（BHJ）OSC中的作用。我们将分析聚合物的光吸收范围、激子解离效率、电荷传输能力以及与受体材料的匹配性，并探讨如何通过分子设计和形貌控制来提升OSC的光电转换效率（PCE）。 5.1 OSC器件结构与工作原理：介绍OSC的基本结构（阳极、界面层、给体/受体共混活性层、电子传输层、阴极）和光电转换过程。 5.2 聚合物给体材料的设计： 5.2.1 宽光谱吸收：如何设计具有宽吸收范围的聚合物，以最大化捕获太阳光谱。 5.2.2 合适的能级匹配：讨论聚合物给体与受体材料之间HOMO/LUMO能级的匹配性对激子解离和开路电压（Voc）的影响。 5.2.3 高载流子迁移率：解释聚合物结晶度、链间堆积和三维骨架对空穴传输能力的重要性。 5.3 激子解离与电荷传输：深入分析聚合物/富勒烯（或非富勒烯受体）界面处的激子解离过程，以及给体和受体材料中载流子的传输和收集。 5.4 形貌控制与相分离： 5.4.1 BHJ活性层的形成：讨论聚合物与受体材料的共混过程如何影响活性层的微观形貌。 5.4.2 最佳形貌的调控：探讨溶剂选择、添加剂、退火处理等对相分离结构、畴尺寸和互穿网络形成的影响。 5.5 器件性能优化策略： 5.5.1 新型非富勒烯受体（NFA）的兴起：讨论NFA在提高PCE方面的优势以及与聚合物给体的匹配。 5.5.2 界面工程：介绍界面层材料的选择和优化对电荷提取和减少界面复合的影响。 5.5.3 器件结构优化：讨论单结、叠层电池等结构对提升效率的意义。 5.6 OSC的稳定性与商业化前景：分析OSC材料和器件在环境因素下的降解机制，以及提高其稳定性的研究进展。第六章：共轭聚合物在有机薄膜晶体管（OTFT）中的应用有机薄膜晶体管（OTFT）是柔性电子学的关键组件，其性能主要取决于半导体层中载流子的传输能力。本章将聚焦于共轭聚合物作为OTFT半导体层的应用，重点讨论其载流子迁移率、开启电压、亚阈值摆幅以及对空气稳定性的影响。我们将深入分析聚合物的分子结构、结晶度、薄膜形貌以及与栅介质、电极材料的界面对OTFT性能的影响。 6.1 OTFT器件结构与工作原理：介绍OTFT的基本结构（栅电极、栅介质、半导体层、源漏电极）和工作机制（场效应）。 6.2 聚合物半导体材料的设计： 6.2.1 高载流子迁移率：如何设计具有高结晶度、规整链排列和强π-π堆积的聚合物以实现高效载流子传输。 6.2.2 费米能级调控：讨论如何通过化学结构修饰来调控聚合物的费米能级，实现p型、n型或双极性传输。 6.2.3 改善空气稳定性：探讨引入特定官能团或使用包覆层来提高聚合物对氧气和水分的稳定性。 6.3 薄膜形貌与结晶度：详细分析聚合物结晶方式、晶粒尺寸、链取向以及薄膜整体的微观形貌对载流子迁移率的影响。 6.4 界面工程： 6.4.1 栅介质/半导体界面：讨论栅介质材料（如SiO2, Al2O3, PMMA）的表面能、电荷陷阱密度对OTFT性能的影响。 6.4.2 半导体/电极界面：分析源漏电极材料（如Au, Ag）与聚合物半导体之间的接触电阻和注入势垒。 6.5 OTFT性能表征：介绍如何通过测量输出特性曲线、转移特性曲线来获取迁移率、阈值电压、亚阈值摆幅等关键参数。 6.6 OTFT的制备工艺：讨论溶液加工（旋涂、印刷）与真空蒸镀工艺在OTFT制备中的优势与挑战。 6.7 OTFT在柔性电子中的应用：展望OTFT在柔性显示、电子标签、传感器等领域的应用前景。第七章：共轭聚合物在其他光电器件中的应用除了OLED、OSC和OTFT，共轭聚合物还在多种新兴光电器件中展现出巨大的潜力。本章将介绍共轭聚合物在光电探测器、传感器、光调制器、电致变色器件以及基于共轭聚合物的纳米材料（如纳米线、纳米颗粒）在光电子学中的应用。 7.1 光电探测器：讨论聚合物光电探测器的设计，包括光响应范围、响应速度、探测率等性能指标。 7.2 传感器：介绍如何利用聚合物的荧光、电导率等变化来设计化学传感器、生物传感器。 7.3 光调制器：探讨聚合物在电光效应、非线性光学效应中的应用，及其在光通信中的潜力。 7.4 电致变色器件：分析聚合物在电化学氧化还原过程中颜色变化的可逆性，及其在智能窗、显示等领域的应用。 7.5 共轭聚合物纳米材料：介绍共轭聚合物纳米线、纳米颗粒等在提高器件性能、实现新功能方面的作用。 7.6 混合型光电器件：探讨将共轭聚合物与其他无机或有机材料结合，构建高性能混合型光电器件的可能性。结论与展望本书的最后一章将对共轭聚合物光电子学的研究现状进行总结，并对未来的发展方向进行展望。我们将讨论当前面临的挑战，如材料稳定性、加工成本、器件效率等，并指出未来研究的重点领域，包括新型材料的设计、器件物理的深入理解、先进加工技术的发展以及新兴应用的探索。本书旨在激发读者对共轭聚合物光电子学领域的兴趣，并为其在该领域的研究和创新提供理论指导和实践启示。