利用原位光致發(fā)光測(cè)量研究有機(jī)半導(dǎo)體中的激子過程.pdf

1、有機(jī)半導(dǎo)體是近二十年最熱門的科技領(lǐng)域之一，這主要?dú)w因于基于有機(jī)半導(dǎo)體的各類器件有著巨大的應(yīng)用前景。其中最典型的例子是有機(jī)發(fā)光器件，它目前已經(jīng)處于產(chǎn)業(yè)化的初步階段。但是目前對(duì)這些器件中的一些內(nèi)在的物理機(jī)制還不是十分清楚。了解這些機(jī)制將有利于提高有機(jī)發(fā)光器件的各種性能。本論文利用有機(jī)原位光致發(fā)光測(cè)量方法從實(shí)驗(yàn)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(gè)工作： 1，研究有機(jī)薄膜中的激子擴(kuò)散過程： 激子擴(kuò)散過程是有機(jī)材

2、料最重要的物理過程之一。它在有機(jī)發(fā)光器件和有機(jī)太陽能電池等有機(jī)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(cè)量方法系統(tǒng)地研究激子在有機(jī)發(fā)光薄膜中的擴(kuò)散。在研究中，采用C<,60>作為淬滅材料，運(yùn)用了兩種不同生長(zhǎng)和測(cè)量順序即在一定厚度C<,60>生長(zhǎng)有機(jī)發(fā)光薄膜和在一定厚度的有機(jī)發(fā)光薄膜生長(zhǎng)C<,60>。在這兩種情況中，分別測(cè)量了有機(jī)發(fā)光薄膜的發(fā)光強(qiáng)度隨著其厚度的變化關(guān)系和一定厚度的有機(jī)發(fā)光薄膜發(fā)光強(qiáng)度隨著C<,60>覆

3、蓋厚度的變化關(guān)系。另一方面，在理論上，采用傳輸矩陣的方法對(duì)其中的光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，以及利用速率方程對(duì)其中的激子過程進(jìn)行模擬，推導(dǎo)出含激子擴(kuò)散長(zhǎng)度的發(fā)光強(qiáng)度隨著膜層厚度的變化公式。最后，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論公式的擬合，得到了激子擴(kuò)散長(zhǎng)度。這兩種測(cè)量方法得出的激子擴(kuò)散長(zhǎng)度值是一致的。 2，研究金屬電極對(duì)有機(jī)薄膜的發(fā)光淬滅效應(yīng)： 金屬經(jīng)常被用作有機(jī)發(fā)光器件的電極，但大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明金屬對(duì)有機(jī)薄膜發(fā)光有著嚴(yán)重的淬滅效應(yīng)。關(guān)于其中

4、的機(jī)制，目前主要存在以下兩種觀點(diǎn)，第一種認(rèn)為主要是由于有機(jī)薄膜中的激子擴(kuò)散到金屬界面導(dǎo)致的；另一種認(rèn)為是由于有機(jī)薄膜中的激子和金屬中的電子氣發(fā)生長(zhǎng)程的非輻射能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的。在這里，我們從實(shí)驗(yàn)上通過測(cè)量有機(jī)發(fā)光薄膜(tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum，Alq3)生長(zhǎng)在很薄的金屬薄膜(2 nm A1)上時(shí)有機(jī)發(fā)光薄膜的發(fā)光強(qiáng)度隨著其厚度的變化關(guān)系，來研究這個(gè)淬滅現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)有機(jī)薄膜的發(fā)光淬滅在這種情況要嚴(yán)重于單

5、獨(dú)考慮激子擴(kuò)散到淬滅界面上效應(yīng)和單獨(dú)考慮采長(zhǎng)程的非輻射能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)這兩種情況。但是，我們通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果同時(shí)考慮了激子擴(kuò)散過程和非輻射能量轉(zhuǎn)移過程，這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就可以得到很好的解釋。此外，我們還利用這個(gè)模型計(jì)算了金屬電極在電致發(fā)光中所導(dǎo)致的淬滅。 3，研究有機(jī)染料摻雜發(fā)光系統(tǒng)中的給體與受體之間的能量轉(zhuǎn)移： 將有機(jī)染料摻入有機(jī)發(fā)光主體材料來調(diào)節(jié)發(fā)光顏色是有機(jī)發(fā)光器件最重要技術(shù)之一。一般認(rèn)為從主體(給體)到客體(受體)

6、的能量轉(zhuǎn)移主要是通過Forster能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行的。但在摻雜的薄膜中，有人認(rèn)為激子在主體的擴(kuò)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(cè)量Alq<,3>薄膜生長(zhǎng)在有機(jī)染料DCM上發(fā)光強(qiáng)度隨著厚度的變化關(guān)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(zhuǎn)移確實(shí)包括激子在主體里擴(kuò)散以及主體和客體之

7、間的Forster能量轉(zhuǎn)移過程這兩個(gè)過程的有力證據(jù)。通過這個(gè)方法推導(dǎo)得到的Alq<,3>-DCM(給體．受體)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移過程，得到了激子在主體里擴(kuò)散過程會(huì)使給體和受體的能量轉(zhuǎn)移范圍增大一倍左右的結(jié)果。 4，研究金屬原子和有機(jī)分子的能量轉(zhuǎn)移： 對(duì)于金屬淬滅有機(jī)發(fā)光現(xiàn)象，除了前面提到的金屬薄膜淬滅有機(jī)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(dǎo)致的淬滅現(xiàn)象，如Gao組發(fā)現(xiàn)亞單層金屬會(huì)導(dǎo)致30 nm Alq<,3>薄膜50％的發(fā)光淬滅。關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象他們給出的解釋是由于有機(jī)薄膜中的激子擴(kuò)散到界面上拆分導(dǎo)致的(“接觸”模型)，但是目前還沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或理論考慮是否存在有機(jī)分子和各類元素的“孤立”原子之間的其它長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致染料摻雜的有機(jī)薄膜光致發(fā)光嚴(yán)重的淬滅；并且，通過在有機(jī)和金屬原子之間插入一隔離層，進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn)這淬滅效應(yīng)是一

9、個(gè)長(zhǎng)程的、與具體金屬原子有關(guān)的相互作用。以前的激子擴(kuò)散到界面上拆分導(dǎo)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(jī)分子和各類元素的“孤立”原子之間存在類Forster的能量轉(zhuǎn)移，這一現(xiàn)象就可以得到很好的解釋。這個(gè)能量轉(zhuǎn)移內(nèi)在物理機(jī)制是偶極子(被激發(fā)的有機(jī)分子)和各類單質(zhì)元素原子能級(jí)間的共振耦合。幾乎所有元素的原子和發(fā)光的有機(jī)半導(dǎo)體之間都滿足這個(gè)耦合條件，即可以發(fā)生長(zhǎng)程能量轉(zhuǎn)移。這是一種過去未見報(bào)道的單質(zhì)元素與有機(jī)半導(dǎo)體之間的相互