有机掺杂器件中激子反应过程的竞争与调控

发布时间：2020-03-29 22:10

【摘要】：有机发光二极管(Organic Light-emitting Diodes,OLEDs)因其具有材料种类多,成本低廉,响应速度快,超薄和可弯曲等优点,使其在显示领域的应用被认为是一次盛大的技术革命。因此,大量的科学家投入研究OLEDs器件,以期待理清其发光机理,进而能有效提高其发光效率。事实上,有机发光二极管内部的反应是极端复杂且不容易被探测。人们发现,OLEDs内部的自旋相关的过程对外磁场的灵敏感应,可使有机磁效应作为一种间接的探测手段来研究相关的过程。其中,电致发光磁效应(magneto-electroluminescence,MEL)和磁电导效应(magneto-conductance,MC)可作为两种探测工具,分别用于探测器件内部发光相关过程、以及探测电荷注入和运输相关的载流子特性。目前,部分激子反应的MEL和MC指纹特性已被归纳出来,比如影响器件发光的三线态激子淬灭和单线态激子裂变等,研究发现两者的MEL曲线刚好呈现出完全相反的特征,并且三线激发态与电荷间的反应也有其特定的MC指纹。而上述已知特征的有机磁效应指纹,可反过来用于研究新器件内部激子反应的类型以及探究这类反应的影响因素。本文研究当器件内部同时存在多种激子反应时,通过对这些反应间相互竞争的调控,以达到对各类反应的横向比较。我们选择材料和设计器件结构,使器件内多种激子反应共存。通过改变器件的掺杂浓度、所处的温度以及注入电流,观察其有机磁效应曲线、电流-电压关系曲线以及电致发光谱,分析影响各类反应的因素,从而达到对多反应过程中,特定过程的有效调控。这一工作深化了各类激子的演化过程,为有效设计高发光效率、低耗能的器件提供一定的理论指导.本文主要内容分成以下四个部分:第一章首先简单描述了有机电子学简史,其次介绍了有机发光二极管的的器件结构,电致发光机理及常见的微观过程,最后扼要阐述了有机电致发光磁效应和有机磁电导的基本概念,OLEDs中常见微观过程的磁效应特征曲线和磁效应的发展方向。第二章介绍了制造和测量OLEDs器件所需的实验设备,以及OLEDs的器件制备方法与性能测量方法。其中器件制备包括清洗基片、旋涂PEDOT:PSS水溶液和蒸镀有机功能层和金属电极。器件性能的测量包括光电性能测量和器件磁效应的测量第三章主要介绍了发光相关的激子反应,我们制备了红荧烯(Rubrene)掺杂的OLEDs器件,其结构为ITO/PEDOT:PSS/NPB(40 nm)/Rubrene:DBP(1%)(x nm)/Rubrene((95-x)nm)/Bphen(25 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm),以及参考器件ITO/PEDOT:PSS/NPB(40 nm)/Rubrene(85 nm)/Rubrene:DBP(1%)(10 nm)/Bphen(25 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm).研究掺杂体系中激子的反应进程,我们分析MEL曲线发现,器件内同时存在三线态激子淬灭(Triplet-Triplet Annihilation,TTA)、单线态-三线态激子湮灭(Singlet-Triplet Annihilation,STA)和单线态激子裂变(Singlet Fission,STT)这三类激子反应。进一步研究表明,这三种反应对器件所处温度、注入电流、Rubrene:DBP(1%)层所处的位置以及Rubrene:DBP(1%)层的厚度的灵敏度是不一样的:其中STA和STT都为吸热反应,而TTA在低温下反应增强;TTA过程与STA过程所需的注入电流比较大,而STT过程仅需很小的注入电流下就能完成;Rubrene:DBP(1%)层越靠近Al电极或者Rubrene:DBP(1%)层越厚,STA和TTA过程都越容易发生。这一工作横向比较了影响器件发光的几类激子反应间的竞争,为有效调节电致发光磁效应、改进OLEDs发光性能提供参考。第四章为了研究电流相关的激子反应,我们制造结构为ITO/PEDOT:PSS/m-MTDATA(40 nm)/CBP:x%DCM(40 nm)/Bphen(40 nm)/LiF(1nm)/Al(120 nm)的器件。结合两个非洛仑兹公式对器件MC曲线进行拟合发现,三线激发态-电荷反应(Triplet-Charge Interaction,TQI)的散射导致了正MC,而TQI的解离导致了负MC。其中,散射过程减小了器件内载流子的传导速率,使器件内电流变小,磁场对散射反应的限制使电流变大,即正MC;解离过程增加了载流子的数目,使器件内电流变大,磁场对解离反应的限制使电流变小,即负MC。当两种反应共存时,进一步通过改变器件所处的温度,注入电流以及掺杂浓度发现,三线态激子的浓度是影响散射和解离的主要因素,三线态激子的浓度越大,TQI的散射反应越易占激子反应的主导;而三线态激子的浓度越小,TQI的解离反应越易占激子反应的主导。这一工作横向比较了影响器件电流的激子反应间的竞争,深化了有机光电器件中电荷与激发态之间相互作用的微观机制,为有效调节有机磁导提供了新的途径。
【图文】：

电致发光,单晶

西南大学硕士学位论文士等在正负电极间加入了双有机层[13, 14]，器件结构如图 1.1（b）所示，它同有电子和空穴传输层，这两功能层与正（ITO）、负（Mg:Ag）两电极的功函匹配，由此发展出的双层甚至多层可灵活设计、自由组合的有机发光二极管，极大限度的提高了器件的寿命和发光效率，不断降低了器件的驱动电压，着电致发光技术由此步入了实用化时代。从 20 世纪末开始，商品化的有机发示器相继问世，先锋公司首先推出了汽车音响 OLEDs 显示屏，摩托罗拉公司推出了手机 OLEDs 显示屏，2007 年底，sony 公司推出了首款电视机 OLEDs屏。目前，有机显示器件因省电、轻薄和高效等优点，正逐步开始占领显示。

自由电荷,复合过程,传输过程,电子

第一章绪论据 e 和 h 间的距离，我们把 e 和 h 处于不同分子上的激发态称为分子间（Polaron pairs，PP）；当电子和空穴间距进一步缩小，把 e 和 h 处于的激发态称为分子内的激子（exction）。而电子和空穴的又是自旋的，动量耦合，两者可以形成总自旋角动量为“0”的非对称态，以及总自“1”的对称态，我们把前者称为单线态，后者称为三线态。因此从量的角度[2, 21, 22]，激发态又可以分为 25%的单线态以及 75%的三线态。和 h 的间离以及它们间的自旋相关性，存在单线态和三线态极化子对（以及单线态和三线态激子（S 和 T）。在电致发光器件中，，并不是所有的激发态都可以直接退激辐射，Ph 由远到近形成激子前的中间状态，对发光没有直接影响。同时，也并激子都可以辐射发光，激发态 T1激子（自旋角动量为 1）到基态 S0（为 0）的跃迁是自旋禁阻的，只有激发态 S1激子才能跃迁到 S0并辐射类器件叫做荧光 OLEDs[20, 23]，是本文研究的重点。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8

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