有机光电材料中的电子—振动耦合：在电荷传输以及发光性质中的作用

发布时间：2020-06-29 14:39

【摘要】：有机π共轭材料凭借其低成本、低毒性、易合成等优势受到人们的广泛关注。为了缓解能源与环境问题，他们已经被应用于光电子和微电子器件，例如有机发光二极管（OLED），有机场效应晶体管（OFET）、有机光伏器件（OPV）以及有机传感器。因此，从理论上深入理解这些材料的结构-性质的关系，对于高性能、低成本的有机光电材料的合理设计具有重要的意义。电子-振动（声子）耦合在有机材料的各种光电过程中具有重要的作用。对于电荷传输材料，电声子耦合可以分为局域和非局域两种，局域耦合主要描述分子振动对分子位能的调控，而非局域耦合则描述晶格振动对分子间电子耦合的改变。近几十年来，各种理论模型被开发并用于讨论电声子耦合对电荷传输机制与性质的影响。人们对局域耦合已经有了比较清晰的认识，其中主要讨论局域耦合的模型与理论有Holstein小极化子理论以及Marcus电子转移理论，它们已经广泛地被用于描述有机分子半导体材料的电荷传输性质。但是随着实验学家在超纯有机分子晶体中观测到在很大的温度范围内载流子迁移率与温度的负指数关系后，非局域电声子耦合日益受到理论物理、化学家广泛地关注。Holstein-Peierls极化子模型以及动态无序理论对上述迁移率与温度的关系的重现取得了一定的成功，但是非局域电声耦合对电子波函数以及光谱性质的影响知之甚少。本文基于三体Peierls极化子模型对其进行了讨论，结果表明当非局域耦合非常强或电子耦合非常弱的时候电子波函数倾向于离域化，这与局域耦合的情况完全相反。而且非局域耦合同时能够使能级劈裂（带宽）增宽和变窄。另外，我们也将现有的理论与模型用于理解含吡嗪的n型有机半导体材料的电子传输性质，结果表明杂原子的引入使得这类材料的弱相互作用增强，减小了电子耦合的波动。我们的理论研究表明它们的电荷传输行为既不能用小极化子跳跃机制描述也不能用带传输机制描述。另外，在二阶含时微扰理论的框架下，我们推导得到了包含自旋-轨道耦合与非绝热耦合的无辐射跃迁速率公式，并用于研究具有热活化延迟荧光（TADF）性质的纯有机给-受体分子中的最低激发三重态（T1）到最低激发单重态（S1）的反系间窜越行为。我们的结果表明对于无金属的有机发光材料而言除了S1-T1单三重态能差低层激发态的非绝热耦合在反系间窜越过程中起到了主导作用。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN204;O621
【图文】：

有机分子晶体,分子堆积,鱼骨,形式

.2 有机分子晶体中主要的分子堆积形式：（A）没有 π-π 重叠的鱼骨状分子之间具有 π-π 重叠的鱼骨状，（C）一维层状 π 堆积以及（D）二维π 堆积无序：主要分为对角和非对角无序。对角无序指的是位能的波动，即单片段的 HOMO 或者 LUMO 能量的波动。结构缺陷以及杂质都会带来给这种无序。局域分子堆积的差异会使得分子所受到的来自周围分子的极同，从而使得分子位能产生变化。在传输模型中可以通过位能的高斯分角无序进行考虑。非对角无序指的是相邻分子之间的电子耦合的波动，主要来自于分子间的振动。温度：在电荷传输行为中温度是一个极其重要的因素，因为它能够划分理图像，即带传输、跳跃传输或者中间区域。对于超纯的有机单晶，空迁移率常常是随着温度的升高而指数式的降低，即nT μ ∝。图 1.3 呈场下萘单晶 a 轴方向的迁移率与温度的关系。在极低温度（3-15K）下

载流子迁移率,单晶,延迟荧光,热活化

1.3 单晶萘的载流子迁移率与温度的关系料—热活化延迟荧光（OLED）的器件结构如图 1.4 所示。OL电子和空穴分别从两个电极中被注入到驱动下，载流子分别在对应的传输层中运形成激子（根据自旋统计规律，单三重态以辐射形式发光或者无辐射方式失活。

【参考文献】