红荧烯掺杂有机薄膜中的单重态激子裂变过程

在室温下测量了红荧烯掺杂有机薄膜光致发光的磁场效应.磁场效应的线型可以归结为外加磁场对掺杂的红荧烯分子间发生单重态激子裂变过程的调控作用.实验发现,光致发光磁场效应的幅度与红荧烯分子间的平均间距之间展现出非线性的对应关系.这种现象说明,当改变掺杂分子间的间距时,掺杂分子间的耦合强度变化可以对激子裂变过程的强度产生重要的影响.在理论上,磁效应幅度与分子间距之间的非线性关系可以采用朗道-齐纳的非绝热跃迁理论进行解释.而实验上,研究分子间耦合强度改变时激子裂变过程的变化,是研究激子裂变过程微观动力学的一种重要方法.本研究工作表明,对于利用单重态激子裂变敏化的有机光伏器件,分子间的耦合强度是一个需要考虑的重要因素.     

热活性延迟荧光材料的设计合成及其在有机发光二极管上的应用

热活性延迟荧光(TADF)材料具有小的单重态-三重态能级差(?EST),因此三重态激子可以通过反向系间窜越(RISC)转变成单重态激子发光.该类材料能够充分利用电激发下形成的单重态激子和三重态激子,使其器件的内量子效率理论上可以达到100%,媲美磷光材料,远远高于传统荧光材料的25%,成为继有机荧光材料和有机磷光材料之后发展的第3代有机发光材料,近年来受到广泛关注.本文介绍了TADF的机理和材料设计的基本原则,综述了近年来国内外学者在TADF材料的设计合成及其在有机发光二极管(OLED)上应用的研究进展,重点介绍了绿光、蓝光、红光、黄光、白光TADF材料的合成与性能.高效的TADF材料经过缜密设计、精确制备和系统研发,将会陆续进入实际应用并在照明和显示领域发挥重要作用.     

三重态激子在不同荧光染料掺杂体系中的湮灭过程

室温下,在红色荧光染料掺杂的有机发光器件ITO/N,N′-bis(naphthalen-1-y)-N,N′-bis(phenyl)benzidine(NPB)/tris(8-hydroxyquinolato) aluminum (Alq3):4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran(DCM)/Alq3/LiF/Al中,观察到发光随外磁场的变化(即磁致发光)表现为刚开始的快速增加,在~50mT处达到最大后,随着磁场的进一步增加,又呈现出减弱的特点(即高场效应);而且,器件的掺杂浓度越高、所加偏压越大,该高场减弱就越明显.但在另一类绿色荧光染料5,12-dihydro-5,12-dimethylquino[2,3-b]acridine-7,14-dione(DMQA)的掺杂器件中,磁致发光的高场部分则是在~50mT后增加变缓并逐渐趋于饱和.分析结果表明,Frster能量转移过程占主导发射的DMQA掺杂器件,不利于染料分子上三重态激子的形成,从而,通过三重态激子对(triplet pairs)湮灭产生单重态激子(triplet-triplet annihilation,TTA)的过程不易发生;但在载流子陷阱效应参与发射的DCM掺杂器件中,室温下在染料分子上就可以形成寿命较长的三重态激子,增加了发生TTA过程的几率.因此,基于掺杂器件中两种不同的发射机制,外加磁场对有机发光中三重态激子对(T…T)的演化表现出了不同的调控作用.     

利用有机磁效应探究基于DCJTB电荷转移态发光器件的微观机制

能量转移(energy transfer,ET)和直接电荷捕获(direct charge trapping,DCT)是掺杂型有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)中两种相互竞争的微观过程.最近研究表明,磁电致发光(magnetoelectroluminescence,MEL)可作为探测OLED中微观机制的有效手段.本文以电荷转移(charge transfer,CT)态材料4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1,1,7,7-四甲基久罗尼定基-4-乙烯基)-4H-吡喃(4-(dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran,DCJTB)为客体,以具有不同三重态激子能量的三(8-羟基喹啉)铝、4,4-二(9-咔唑)联苯(4,4′-bis(N-carbazolyl)-1,1′-biphenyl,CBP)和2,4,6-三[3-(二苯基膦氧基)苯基]-1,3,5-三唑(2,4,6-tris[3-(diphenylphosphinyl)phenyl]-1,3,5-triazine,PO-T2T)为主体制备了3种OLED,并测量了它们的MEL.实验发现器件的MEL都由低场(|B|5 mT)和高场(5 mT≤|B|300 mT)两部分组成,其高场部分均表现为由三重态激子-电荷反应和三重态激子对湮灭导致的随磁场正相关或负相关的MEL.但它们的低场变化则完全不同:Alq3:DCJTB器件表现为主体极化子对(polaron-pair,PP)的系间窜越过程(PPT)导致的正MEL,而CBP:DCJTB器件和PO-T2T:DCJTB器件则表现为客体电荷转移态的反向系间窜越过程导致的负MEL.这两类器件分别对应ET和DCT过程,再加之主体三重态能级的高低对反向系间窜越过程的影响,从而导致不同器件中多变的MEL线型;另外,低温环境更有利于DCJTB中三重电荷转移态参与的反向系间窜越和三重态激子对湮灭过程的发生.本研究工作对基于DCJTB发光器件的内部微观机制有了更深入的理解.     

三重态激子浓度对激子-电荷反应中散射和解离过程的调控

制备了4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran(DCM)掺杂4,4′-N,N′-dicarbazolebiphenyl(CBP)的有机发光二极管器件,并利用有机磁电导(magneto-conductance,MC)作为一种灵敏的探测工具,研究了器件的载流子传输特性.发现器件的MC随注入电流、温度和掺杂浓度的变化呈现出正、负磁电导效应,正磁电导和负磁电导分别由三重激发态与电荷反应(triplet-charge interaction,TQI)中的散射过程与解离过程所引起.研究表明,器件中TQI的散射和解离过程共存时,注入电流、工作温度和掺杂浓度都是通过改变三重态(triplet,T)激子的浓度来调节磁电导使其发生正负转变,即T激子浓度对TQI中的散射过程和解离过程有不同的作用:T激子浓度越大,TQI中载流子的散射通道越易占主导作用,此时器件呈现出正磁电导效应;反之,T激子浓度越小,TQI中三重态激子的解离通道越易占主导作用,此时器件表现出负磁电导效应.本工作为有机磁电导效应的有效调控提供了一条新途径,也加深了对有机光电器件中电荷与激发态间相互作用的理解.     

基于芳香性聚酰亚胺的光电功能材料及器件研究进展

聚酰亚胺是一类重要的高性能聚合物,具有优良的热性能、机械性能和电学性能.近年来,芳香性聚酰亚胺作为新型光电功能材料在有机太阳电池、场效应晶体管、电存储等有机光电器件中的应用价值日益凸显,引起研究者的广泛关注.本文根据芳香性聚酰亚胺的分子结构特点,从光电功能化方法和材料制备策略出发,全面归纳和总结了芳香性聚酰亚胺在光电子器件领域的研究进展,阐述了此类材料的分子结构设计与光电性质以及光电器件性能的内在关系,为今后开发新型高效芳香性聚酰亚胺光电功能材料和器件提供参考.     

基于第三代半导体的压电电子学和压电光电子学器件

当一个均匀的应变施加到非中心对称的半导体单晶上时,半导体内部将产生压电势,其表面将产生静态的压电极化电荷,这种现象普遍存在于第三代半导体(如ZnO, GaN, CdS)中.应变引起的这种压电势或压电极化电荷可以静态和/或动态地调控界面电荷的输运和光电过程.通过将压电、光激发和半导体特性进行耦合,诞生了两个全新的研究领域,即压电电子学和压电光电子学.十几年来,这两个领域得到了广泛的关注,并在基础科学和器件应用方面取得了巨大的研究进展.本文对近年来这两个领域在器件应用方面的实验进展情况做了简要综述,并对这两个学科的未来发展进行了展望.     

高激发密度CdS晶体中的激子与电子散射的研究

七十年代以来,对Cds等Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的受激发射的研究,推动了高激发密度半导体研究的发展,已经从实验和理论上认识到激子-电子散射发光是在100K以上温度时一种主要的复合过程,可以产生较高的增益。以往的工作多是偏重于受激发射研究,以获得激光的输出,讨论结果偏重于发射带随温度的变化关系,对于散射发光的动力学过程研究很少。 近年来,由于快速光学信息处理的研究发展,人们对这类材料的光学非线性及双稳态现象很感兴趣。这是因为激子等元激发态产生的光学非线的弛豫时间短,有良好的响应特性。 本文中,我们研究了CdS单晶中高激发密度下的激子-电子散射发光过程。从发光带的     

激子态和电荷转移态共存的聚合物发光器件中单重态与三重态之间的自旋混合过程

在poly[{9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorenylene)-alto-co-(2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene}](PFOPV)发光材料中同时存在激子态和电荷转移态的辐射退激过程.本文制备了基于PFOPV的发光器件,并以发光和电流的磁场效应为手段研究了这2种发光过程的微观差异.实验发现,在室温下,载流子注入平衡器件的磁电致发光表现为负效应,而非平衡器件的磁电致发光表现正效应;低温下,平衡器件的磁电致发光会随着注入电流的增加出现由负到正的转变,但磁电导却始终呈现为负值.磁效应与载流子注入情况、温度和注入电流的这些依赖关系可归结为两发光过程在器件中相互竞争的结果.分析表明两过程磁效应的差异是由超精细相互作用诱导的系间窜越和反系间窜越作用共同引起的.本研究工作证明了电荷转移态对提高荧光有机发光器件的发光效率具有重要的参考价值.     

可溶液加工纳米光电材料与器件

光电器件的柔性化、结构微型化是光电技术发展的重要趋势.溶液法加工特别是印刷技术和纳米光电材料的结合,有利于克服传统光电器件制备工艺复杂、成本高昂的局限性,在未来柔性化、图案化以及大面积光电器件领域具有广阔的应用前景.本文主要聚焦于可溶液加工纳米光电材料与器件,介绍了我们课题组近年来在该领域的科研进展,包括喷墨打印量子点技术与应用,溶液加工量子点界面发光机制,以及发光、探测、突触器件结构设计与性能优化,希望为该领域学术研究和产业应用提供参考.     

新型光电功能器件的科学前沿和应用

正有机、有机/无机复合光电器件近年来发展迅猛,并且已经逐步走进我们的生活,在信息显示领域(如可折叠柔性显示屏)和新能源领域(如太阳能电池)应用广泛.中国学者在此领域作出了重要贡献.为了集中展示该领域的发展,《科学通报》组织"光电功能材料和器件专题",邀请国内专家和学者,结合自己的研究工作撰写文章,对光电材料和器件的发展进行梳理和总结,并对发展前景进行展望.该专题共包含10篇文章.     

氯化银纳米晶的自陷落激子态产生铌碲酸盐玻璃的光限幅效应

利用熔融法结合扩散控制法制备了含有氯化银(AgCl)纳米晶的碲铌氧化物玻璃样品, 运用吸收光谱观测到532 nm附近AgCl的自陷落激子吸收峰. 通过拉曼光谱表征获得玻璃的网络结构参数, 结合Jahn-Teller模型分析了自陷落激子的形成机制. 利用532 nm皮秒脉冲激光研究了玻璃在近共振区的光限幅效应, 通过Z扫描实验测量了样品的非线性吸收系数, 研究表明在近共振和共振区自陷落激子态吸收导致光限幅效应的增强.     

一种新型丝状光阳极集成的光电致变色器件

提出了一种新型丝状光阳极集成的光电致变色器件, 研究了器件在着色态和褪色态的透过光谱. 结果表明, 器件在褪色态时平均透过率是68.0% (400~1100 nm), 在着色态时平均透过率是26.1% (400~1100 nm), 器件在736 nm处最大光谱调控范围在81.9%~30.3%之间变化. 与传统结构的光电致变色器件相比, 新型结构的光电致变色器的光谱调控范围进一步显著拓宽, 解决了传统结构的光电致变色器件在褪色态时透过率低的缺点.     

利用红荧烯激子能量共振分析三重态激子-电荷作用的磁电导机制

为了研究三重态激子与电荷作用(triplet-charge interaction,TCI)产生磁电导(magneto-conductance,MC)的原因,分别用Al,Li F/Al和Ca等不同功函数的金属作为阴极制作了一系列红荧烯(rubrene)型有机发光器件.在室温下Al电极器件中出现了随磁场增加单调下降的负MC.器件的电流-电压特征曲线表明,Al电极器件中空穴为多余载流子,电子注入困难易形成陷阱电荷.利用rubrene中单重态激子(singlet,S)和三重态激子(triplet,T)的能量共振改变S激子裂变(STT)和T激子聚变(TTA)来调控T激子的比率,并通过更换阴极来改变电子注入势垒高度从而调控电荷(charge,C)的浓度,最终实现对TCI的调控.调控结果表明,Al电极器件中负的MC不应该是T激子与多余空穴通过解离或者散射通道的TCI引起的,而是T与陷阱中的束缚电子通过TCI的去陷阱(T+C_t→S_0+C)通道淬灭导致的.另外,载流子注入较为平衡的Li F/Al和Ca电极器件的MC比Al电极器件的小1个量级,且随磁场的增加先减小后增大,这并非是因为平衡注入器件内的TCI弱,而是由于器件内rubrene功能层中的陷阱容易被电子占满,TCI去陷阱淬灭通道和陷阱捕获淬灭通道对电流的影响变低.因此,载流子陷阱在TCI的磁效应中具有重要地位,使有机功能层中的陷阱尽量多且不易被载流子占满是利用TCI磁效应的重要方向.     

膦基电致发光材料及器件的研究进展

芳香膦(氧)基团具有可打断共轭、电子效应适中、位阻大、便于多功能修饰和配位能力强等特点,是少数几个兼具多种功能的基团之一.通过综合运用这些功能,芳香膦(氧)基团在选择性调节分子光电特性等方面显示出了独特的优势.因此,芳香膦(氧)基团不仅适于构建综合性能优异的光电功能材料,进而实现高效的有机电致发光器件,而且能够为选择性研究单一性质变化对材料光电性能的影响提供平台.近年来,膦基光电功能材料逐渐发展成为有机电致发光(organic light-emitting diode, OLED)领域的热点之一,其所展现出的优异性能和清晰的构效关系在丰富OLED材料库、明确材料设计和优化途径,乃至推动OLED技术创新等方面具有重要的理论意义和实际应用价值.我们在膦基电致发光材料及其器件方面开展了比较系统的研究.从材料的设计策略出发,分别开发了膦基主体材料、发光材料和电子传输材料,对这类材料的光物理性质、激发态特性、电学性能以及电致发光器件性能等进行深入研究.本文对这些工作进行了较为系统的总结,以期为今后膦基光电功能材料的开发提供借鉴和参考.     

飞秒激光二维红外光谱

近年来出现的飞秒激光二维红外(2D IR)光谱技术具有以飞秒时间分辨率测定凝聚相分子动态结构的潜力. 时间分辨率取决于飞秒激光的脉冲宽度, 分子结构信息存在于二维谱的对角峰和非对角峰中. 本文较为全面地论述了2D IR的基本原理, 介绍了2D IR的发展历史以及最新动态, 特别是近年来2D IR在蛋白质及多肽的结构和动力学方面的代表性研究结果; 并以蛋白质酰胺-Ⅰ带为例, 着重探讨了一维和二维红外光谱模拟所用的振动激子模型, 以及量子化学从头计算、分子动力学模拟在激子模型和光谱模拟中的应用. 还简单介绍了偏振光的调控在二维红外光谱学中的用途以及存在的一些实际问题, 也介绍了同位素取代, 特别是碳-13取代在多肽结构的2D IR表征中的有效性, 并分析了水溶液中多肽局部动态结构研究的一个实例. 最后, 提出了2D IR的一些基础研究方向和应用研究方向以及有待解决的一些技术问题.     

p-n嵌段调节有机光电功能材料的能级

有机电致发光技术在通讯、信息、显示和照明等许多领域显现出巨大的商业应用前景,十几年来一直是光电信息领域的研究热点之一.相对于无机电致发光材料而言,有机电致发光材料具有许多优点.在影响有机电致发光器件性能的各种因素中,光电材料的能级扮演着非常重要的角色,这是因为在电致发光二极管中,不同层之间由于能级匹配而产生的势垒对整个器件的驱动电压、发光波长、效率以及寿命等性能都有明显影响,因此研究有机光电功能材料能级的可控调节对推动整个有机电子学的发展具有非常重要的意义.以我们的工作为主,从材料合成的角度介绍了近年来通过p-n嵌段方法调节有机光电功能材料能级的最新研究进展,并对下一步需要研究的热点问题作了展望.     

有机-无机范德瓦尔斯异质结界面的光电过程

近年来,有机-无机范德瓦尔斯异质结由于其低成本加工和高性能而在光电应用领域引起了极大的关注.无机的二维材料具有光暗电导比高、载流子迁移率高、稳定性高以及使用寿命长等优点,但是其吸收带窄、可选材料较少、生产成本高;而有机材料具有低成本、透明、柔性、重量轻和易加工等优点,但其介电常数低、载流子迁移率低.如果通过合理的界面设计将二者相结合,扬长避短,有望获得更加优良的光电性能.目前国际上已有多个研究组在这个领域进行了探索性的研究,主要集中在材料的探索和器件功能性的开发,但是其背后的物理原理还不清晰.而微观机理的研究离不开先进的表征技术和测量方法的发展,因此本文旨在总结目前该领域研究进展的基础上,重点介绍有机-无机范德瓦尔斯异质结界面光电子学的表征方法,主要集中在以下3个方面:界面处材料的结构与分子表征、电子结构与局域态表征和微观动力学过程.此外,还针对该领域存在的问题提出了潜在的表征手段,进一步讨论了该领域可能的发展方向.     

掺杂浓度和温度对有机延迟荧光磁效应的影响

在基于电荷转移(charge transfer,CT)态的发光器件中,CT态的演化及其相互作用对器件发光有重要影响.将分子内CT态材料4-(Dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran(DCJTB)以不同浓度掺杂于磷光主体材料1,3-bis(9-carbazolyl)benzene(m CP)中,通过测量器件电致发光的磁场效应(magnetoelectroluminescence,MEL),来研究器件中CT态及其相互作用.在±500 m T的磁场范围内,MEL曲线展示出奇特的变化:当掺杂浓度从高浓度(20%)降至低浓度(5%)时,低场部分从正转变为负;而高场部分没有明显的浓度依赖关系,均表现为缓慢下降.另外,在不同温度下MEL高低场部分的幅度都有很大变化.这些变化表明,器件中存在CT态的系间窜越、反向系间窜越过程,以及CT态间的湮灭过程,且这些过程受到掺杂浓度和温度的影响,导致延迟发光的变化.     

8羟基喹啉锌的能态结构研究

由于有机电致发光具有高亮度、低驱动电压、宽光谱范围(整个可见区)和丰富的材料选择等特点,在大面积平板显示器件研究中展现出广阔的应用前景.1987年Tang将多层结构引入有机电致发光器件以来,有机电致发光的研究在材料选择和器件结构等方面都取得了较大的进展.Adachi,等将有机电致发光器件制备成具有电子和空穴输运层的典型结构(ITO/空穴输运层/发光层/电子输运层/Mg:Ag).Burroughes和Heeger先后分别将聚合物引入有机电致发光研究中,用聚合物作为空穴输运层或发光层均取得了较好的效果.在有机小分子材料中,8羟基喹啉金属化合物一直是一个十分引人注目的材料体系,特别是8羟基喹啉铝和锌,其电致发光亮度超过15000cd/m~2.本文对8羟基喹啉锌的光致发光、吸收和激发光谱进行了研究,发现8羟基喹啉锌的发光来自380nm的吸收带,并且给出了可能的能态结构.1实验8羟基喹啉锌粉末材料是由本实验室自己合成的,其杂质浓度低于10~(-5).8羟基喹啉锌薄膜采用真空蒸发方法制备,蒸发时的真空度为1.07×10~(-2)Pa.8羟基喹啉锌粉末的光致发光光谱和激发光谱是利用MPF-4荧光分光光度计测量的,光致发光光谱的激发光波长为365nm,激发光谱的检测光波长为520nm.8羟基喹啉锌薄膜的吸收光谱是利用UV-360分光光度计测量的.