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分子间激子裂变过程电荷转移模型的实验研究

发布时间:2020-09-23 09:14
   近几年来,在一些特殊有机材料中发现的激子裂变过程,已在有机电子学领域和光伏器件研究中上升为一个热点问题。激子裂变过程,是指一个受激发的单重态激子S_1将其能量的一半转移到另一个基态分子S_0上,最终形成两个三重态激子T_1的过程。它之所以能引发研究者们的广泛关注,主要原因有两个:首先,在常用的光伏材料中,S_1态激子寿命在10~(-9)~10~-66 s范围,T_1态激子寿命在10~(-6)~20 s范围,因此相比S_1态激子而言,T_1态激子的寿命要长得多。这为有机光伏器件的激子扩散过程提供了非常有利的条件;其次,由于激子裂变吸收一个光子的能量可生成两个较低能量的T_1态激子,若它们都能够解离为自由的空穴与电子,则器件的光电转换效率将得到大幅提高。但就现实情况来看,激子裂变只是S_1态激子所有衰变的一种,器件中还存在激子与电荷间发生的淬灭作用,使这种裂变机制失效。由此可知,要想发挥其优势,该有机材料的裂变速率必须高于其他衰减过程速率。我们通过实验发现,随着分子间LUMO能级势垒的增大,激子裂变速率逐渐减小;结合以上实验结果,我们进一步将激子裂变的“双电子转移”模型与“双空穴转移”模型进行分析,肯定了“双电子转移”模型。随后,我们又探究了分子距离与激子裂变的依赖关系,对比“Dexter能量转移”模型与“双电子转移”模型,再次验证了“双电子转移”模型对于解释激子裂变过程的合理性。该工作的有效实施,为研究激子裂变的微观物理机制提供了一种切实可靠的实验方法与研究思路。但要想彻底搞清楚激子裂变出现的工作机制和原理,其难度还是很大。本论文的研究结果如下:(1)第一章,介绍了有机光电材料中激子裂变现象的物理过程,系统的分析了激子裂变的研究意义和应用价值,其次介绍了有关激子裂变研究的进展,最后阐述了本论文的主要研究工作。(2)第二章,主要从实验前期准备、有机掺杂薄膜的热蒸镀,介绍了实验样品的制备过程。以及稳态发射光谱和瞬态发光衰减曲线的测量过程与实验仪器。(3)第三章,介绍了分子间激子裂变过程的电荷转移模型,通过在不同有机分子中掺杂具有激子裂变特性的红荧烯材料,探究红荧烯分子间能级势垒对单重态激子裂变的影响。实验上,我们制备了Alq_3:rubrene(x)、NPB:rubrene(x)、BCP:rubrene(x)、TPBi:rubrene(x)、mCP:rubrene(x)5种混合薄膜,其中x=50%、40%、30%,并在室温下测量这5种掺杂薄膜的光致发光光谱与瞬态衰减曲线。通过拟合瞬态衰减曲线,我们发现在相同掺杂浓度下,随着红荧烯分子间LUMO能级势垒的变大,激子裂变速率逐渐减小,而与红荧烯分子间HOMO能级势垒的大小没有直接的关系。由此结论,我们从实验的角度首次证明了“双电子转移”模型在描述激子裂变物理过程的合理性,从而否定了“双空穴转移”模型。(4)第四章,介绍了Dexter能量转移,通过在有机材料中掺杂不同浓度的红荧烯分子,来改变相邻红荧烯分子的间距,探究分子间距对激子裂变的影响。实验上,我们制备了NPB:rubrene(x)、BCP:rubrene(x)、TPBi:rubrene(x)、mCP:rubrene(x)4种混合薄膜,其中x=20%、30%、40%、50%,并在室温下测量4种样品的光致发光光谱与瞬态衰减曲线。通过拟合瞬态衰减曲线,我们发现随着相邻红荧烯分子间距的增大,激子裂变速率呈指数衰减。对比Dexter能量转移中分子距离依赖关系与激子裂变分子间距依赖关系,发现两者在函数关系式上有很大的相似性。对比两者的物理图象,我们同样发现二者高度的相似。由此我们可以得出,激子裂变的微观动力学过程可以用“双电子转移”模型来理解。最后,我们根据费米黄金定则,对“双电子转移”模型深入探讨,解析其直接方式与间接方式。(5)第五章,主要对以上实验结果作以总结,并展望其发展前景。
【学位单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:O471.3
【部分图文】:

激子,自旋,多并苯,衍生物


南大学硕士学位论文 第一章 绪论。其总能量与 S1态相近,整体表现为自旋单线态。它可以通过一个小的扰动自旋相干性,最终变为两个相互独立的 T1态激子。除此以外上式中还包含了状态相互转换的速率参数,即 k1、k-1、k2、k-2,其中我们研究的重点是 k-2,激子裂变发生的速率。其余物理量已在前文提及,在此不做赘述。尽管激子裂变现象早在上世纪四五十年前就被发现,但并未取得广泛关注到近些年,由于其在光伏电池中表现了突出的优势,才使激子裂变的研究得视。到目前为止,研究者已在多种有机材料中观察到了明显的激子裂变现象中最为常见的是一些多并苯及其衍生物。例如:并四苯(Tetracene)及其衍生PT、Rubrene、并五苯(Pentacene)及其衍生物 TIPs、DMPP 等,分子结构如图 示。

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图 1.2 Tetracene、Rubrene、Pentacene 能级结构示意图事实上,激子裂变过程与激子聚变过程是同时进行的,实际的检测结果应它们相互竞争的过程。聚变过程可认为是激子裂变的逆过程,最初于有机晶延迟荧光发射现象中发现,该荧光发射具有三线态激子寿命和单线态激子能特点。其产生机制是由两个三线态激子作用形成一个单线态激子,再由单线子退激发射出荧光,该过程伴随聚变发光。而激子裂变主要是产生发光是三激子退激发光,即磷光。图 1.3(a、b)展示了聚变发光与裂变发光的电子过程。

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图 1.2 Tetracene、Rubrene、Pentacene 能级结构示意图事实上,激子裂变过程与激子聚变过程是同时进行的,实际的检测结果应该是它们相互竞争的过程。聚变过程可认为是激子裂变的逆过程,最初于有机晶体的延迟荧光发射现象中发现,该荧光发射具有三线态激子寿命和单线态激子能量的特点。其产生机制是由两个三线态激子作用形成一个单线态激子,再由单线态激子退激发射出荧光,该过程伴随聚变发光。而激子裂变主要是产生发光是三重态激子退激发光,即磷光。图 1.3(a、b)展示了聚变发光与裂变发光的电子过程。

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本文编号:2825136

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