利用原位光致發(fā)光測量研究有機半導體中的激子過程.pdf

1、有機半導體是近二十年最熱門的科技領域之一，這主要歸因于基于有機半導體的各類器件有著巨大的應用前景。其中最典型的例子是有機發(fā)光器件，它目前已經處于產業(yè)化的初步階段。但是目前對這些器件中的一些內在的物理機制還不是十分清楚。了解這些機制將有利于提高有機發(fā)光器件的各種性能。本論文利用有機原位光致發(fā)光測量方法從實驗和理論兩方面研究其中一些重要物理過程，具體包括以下四個工作： 1，研究有機薄膜中的激子擴散過程： 激子擴散過程是有機材

2、料最重要的物理過程之一。它在有機發(fā)光器件和有機太陽能電池等有機光電器件中都扮演著非常重要的角色。在這里，我們使用原位光致發(fā)光測量方法系統(tǒng)地研究激子在有機發(fā)光薄膜中的擴散。在研究中，采用C<,60>作為淬滅材料，運用了兩種不同生長和測量順序即在一定厚度C<,60>生長有機發(fā)光薄膜和在一定厚度的有機發(fā)光薄膜生長C<,60>。在這兩種情況中，分別測量了有機發(fā)光薄膜的發(fā)光強度隨著其厚度的變化關系和一定厚度的有機發(fā)光薄膜發(fā)光強度隨著C<,60>覆

3、蓋厚度的變化關系。另一方面，在理論上，采用傳輸矩陣的方法對其中的光學效應進行計算，以及利用速率方程對其中的激子過程進行模擬，推導出含激子擴散長度的發(fā)光強度隨著膜層厚度的變化公式。最后，通過實驗數(shù)據(jù)與理論公式的擬合，得到了激子擴散長度。這兩種測量方法得出的激子擴散長度值是一致的。 2，研究金屬電極對有機薄膜的發(fā)光淬滅效應： 金屬經常被用作有機發(fā)光器件的電極，但大量的實驗證據(jù)表明金屬對有機薄膜發(fā)光有著嚴重的淬滅效應。關于其中

4、的機制，目前主要存在以下兩種觀點，第一種認為主要是由于有機薄膜中的激子擴散到金屬界面導致的；另一種認為是由于有機薄膜中的激子和金屬中的電子氣發(fā)生長程的非輻射能量轉移導致的。在這里，我們從實驗上通過測量有機發(fā)光薄膜(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum，Alq3)生長在很薄的金屬薄膜(2 nm A1)上時有機發(fā)光薄膜的發(fā)光強度隨著其厚度的變化關系，來研究這個淬滅現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)有機薄膜的發(fā)光淬滅在這種情況要嚴重于單

5、獨考慮激子擴散到淬滅界面上效應和單獨考慮采長程的非輻射能量轉移效應這兩種情況。但是，我們通過理論計算發(fā)現(xiàn)，如果同時考慮了激子擴散過程和非輻射能量轉移過程，這個實驗現(xiàn)象就可以得到很好的解釋。此外，我們還利用這個模型計算了金屬電極在電致發(fā)光中所導致的淬滅。 3，研究有機染料摻雜發(fā)光系統(tǒng)中的給體與受體之間的能量轉移： 將有機染料摻入有機發(fā)光主體材料來調節(jié)發(fā)光顏色是有機發(fā)光器件最重要技術之一。一般認為從主體(給體)到客體(受體)

6、的能量轉移主要是通過Forster能量轉移進行的。但在摻雜的薄膜中，有人認為激子在主體的擴散也有可能扮演著非常重要的作用。在這里，我們用原位光致發(fā)光測量Alq<,3>薄膜生長在有機染料DCM上發(fā)光強度隨著厚度的變化關系，觀察到從Alq<,3>到紅色染料4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran(DCM)的能量轉移確實包括激子在主體里擴散以及主體和客體之

7、間的Forster能量轉移過程這兩個過程的有力證據(jù)。通過這個方法推導得到的Alq<,3>-DCM(給體．受體)系統(tǒng)的能量轉移半徑為4.0±0.5nm。另外，我們還從理論上模擬了摻雜的薄膜中能量轉移過程，得到了激子在主體里擴散過程會使給體和受體的能量轉移范圍增大一倍左右的結果。 4，研究金屬原子和有機分子的能量轉移： 對于金屬淬滅有機發(fā)光現(xiàn)象，除了前面提到的金屬薄膜淬滅有機薄膜發(fā)光的一類現(xiàn)象以外，還有另外一類由“孤立”金屬

8、原子導致的淬滅現(xiàn)象，如Gao組發(fā)現(xiàn)亞單層金屬會導致30 nm Alq<,3>薄膜50％的發(fā)光淬滅。關于這個現(xiàn)象他們給出的解釋是由于有機薄膜中的激子擴散到界面上拆分導致的(“接觸”模型)，但是目前還沒有實驗驗證或理論考慮是否存在有機分子和各類元素的“孤立”原子之間的其它長程非接觸的相互作用。在這里，我們發(fā)現(xiàn)“孤立”的金屬原子也會導致染料摻雜的有機薄膜光致發(fā)光嚴重的淬滅；并且，通過在有機和金屬原子之間插入一隔離層，進一步地發(fā)現(xiàn)這淬滅效應是一

9、個長程的、與具體金屬原子有關的相互作用。以前的激子擴散到界面上拆分導致淬滅的“接觸”模型不能解釋這一現(xiàn)象。但是如果考慮有機分子和各類元素的“孤立”原子之間存在類Forster的能量轉移，這一現(xiàn)象就可以得到很好的解釋。這個能量轉移內在物理機制是偶極子(被激發(fā)的有機分子)和各類單質元素原子能級間的共振耦合。幾乎所有元素的原子和發(fā)光的有機半導體之間都滿足這個耦合條件，即可以發(fā)生長程能量轉移。這是一種過去未見報道的單質元素與有機半導體之間的相互