利用有机磁电导分析Rubrene发光器件中三重态激子解离和电子散射过程

为了研究红荧烯(5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene,Rubrene)器件中三重态激子与电荷相互作用的微观过程,制备了基于Rubrene的有机发光二极管,并测量了室温下器件的磁电导(magneto-conductance,MC).实验发现,器件MC曲线的幅值非常小且表现出了奇特的变化:即在0~8 m T的磁场范围内,MC随磁场快速增大;当磁场处于8~100 m T时,MC则表现为下降;但当磁场大于100 m T时,MC则表现为缓慢增加.分析发现,Rubrene器件中除了超精细相互作用外,还有空穴对三重态激子的解离作用和三重态激子对电子的散射作用的共存,且它们都受单重态激子分裂(singlet fission)的影响.利用Lorentzian和non-Lorentzian经验函数可以对MC进行较好拟合,进一步证实了上述观点.三重态激子解离和电子散射共存这一发现不仅有助于对Rubrene器件中电荷与激发态间相互作用机制的认识,在优化器件性能方面也有一定的指导意义.     

反向系间窜越和三重态激子湮灭共存体系的有机发光磁效应

利用具有反向系间窜越(RISC)特性的荧光材料4-(Dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran(DCJTB)制备了掺杂型有机发光器件,并在20~300 K温度范围内测量了器件的磁致发光曲线(即magneto-electroluminescence,MEL).实验发现,这些MEL曲线表现出奇特的线型:先在低场部分(10 m T)小幅度地快速下降,再随着磁场的增加大幅度地缓慢下降,最终低场和高场都表现为负的MEL,这与具有系间窜越的激子型器件的MEL明显不同.另外,MEL曲线在低场和高场的下降幅度都受注入电流和工作温度的调控.通过分析三重态激子参与的自旋相关过程,认为这些负的MEL是由RISC与三重态激子湮灭(TTA)过程共同引起的,并且三重态激子的寿命是影响RISC过程的主要因素.     

超小磁场下Rubrene电致发光磁效应的演化

制备了基于5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene(Rubrene)的有机发光二极管,并测量器件在不同偏压与工作温度下电致发光的磁场效应(magneto-electroluminescence,MEL).实验发现:在室温下,MEL曲线在零磁场附近几毫特斯拉范围内为W线型;而当温度降低到75 K左右,该W线型消失,MEL却呈现出一种新的精细结构,即M型的超小场效应,这种演化过程在以前的文献中未见报道.分析表明:室温下MEL的W线型是极化子对(polaron pair,PP)的超精细相互作用和外磁场引起的塞曼作用对载流子自旋共同调控的结果;低温下MEL的M线型与三重态-三重态激子湮灭(triplet-triplet annihilation,TTA)过程相关,可以用零场劈裂与塞曼作用对三重态激子对(triplet pair state,(TT)i)演化过程的共同调控来解释.该发现不仅丰富了有机半导体中的磁现象,而且加深了对有机发光器件中激发态间自旋相互作用的认识.     

利用有机发光磁效应研究深蓝色激基复合物的发光机理

2013年Jankus等人在Advanced Materials上报道了NPB与TPBi共混的深蓝色激基复合物的发光机理,根据瞬态光谱的实验结果,他们认为器件中室温下较高的量子效率是由三重态激子的湮灭(TTA)导致的,而不是由热辅助引起的三重态激子T_1向单重态激子S_1的转变结果(即反向系间窜越,RISC).最近的研究表明,有机发光二极管(OLEDs)中的磁效应(magneto-electroluminescence,MEL)可作为研究其发光机理的有效手段,对TTA和RISC都有灵敏的指纹响应.本文制备了结构相同的OLEDs,测量了器件的MEL曲线,发现室温下该器件内部既没有发生TTA,也没有发生RISC过程,仅在低温20K且在大电流工作下才能出现TTA过程,采用更低功函数的阴极、对器件阳极进行臭氧O_3处理、甚至呈量级增大器件的注入电流,以有利于TTA过程的实现,但仍未观察到TTA,器件的磁电导实验结果及其理论模拟表明,该体系内部可能发生了三重态激子与空穴极化子的相互作用T_1(↑↑)+P~+(↓)→S_1(↑↓)+P~+(↑),即TPI(triplet-polaron interaction)过程,本研究对理解NPB与TPBi共混器件的发光机制有较好的参考价值.     

利用有机磁效应研究热活化延迟荧光量子阱器件中的微观机制

采用具有反向系间窜越(reverse intersystem crossing,RISC)特性的热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence,TADF)材料制备了量子阱有机发光二极管,测量了器件的磁电导(magneto-conductance,MC)和磁电致发光(magneto-electroluminescence,MEL),由此还可得到器件效率的磁效应(Mη),并利用这些磁效应特征曲线来研究器件中的微观过程.实验发现:室温下,尽管无量子阱参考器件的MC表现出RISC特性和载流子对三重态激子的解离机制,但量子阱器件的MC则只表现出三重态激子对载流子的散射机制;而且,无量子阱参考器件的MEL和Mη都表现出了系间窜越(ISC)和三重态激子对的湮灭(TTA)的过程,但量子阱器件的MEL则表现出ISC和三重态激子对载流子的散射机制,且其Mη只表现出了ISC属性.随着温度从室温降至20 K,量子阱器件和参考器件的ISC都增强,但量子阱器件在20 K还出现了TTA过程,而参考器件的TTA则在100 K后消失.我们提出根据量子阱器件和无量子阱器件的结构特性以及温度对F?rster能量转移和三重态激子的浓度与寿命的影响可以较好地解释这些实验现象.显然,研究量子阱器件的磁效应,不仅为发光器件提供设计思路,同时还可加深对有机磁效应的认识.     

红荧烯发光器件中电流与温度调控的微观演化过程

有机发光磁效应对有机半导体中激发态的微观过程有指纹式响应,本文采用这一灵敏方法探究了红荧烯(Rubrene)发光器件中微观机制随电流与温度的演化.实验结果表明:室温下,注入较小电流(5~100μA)时,Rubrene中主要发生单重态激子的分裂(singlet fission,SF),且该过程几乎不受电流变化的影响;注入中等电流(100~1000μA)时,除发生SF外,由直接注入的三重态激子还可以发生聚合反应(triplet fusion,TF);注入大电流(1000~4500μA)时,除了SF和TF,还出现了系间窜越过程(inter-system crossing,ISC).从室温到20 K的降温过程中,SF变弱,TF增强,ISC过程也越来越强.本器件中ISC随电流与温度的演化规律均与常规发光器件中的规律相反.我们采用相关微观过程的率常数以及不同电流和温度下激发态的寿命对实验结果进行了较好解释,这对深入理解Rubrene在有机发光中的微观机制有一定的促进作用.     

纵向磁场沉积态(F/SiO_2)_3/Ag/(SiO_2/F)_3多层复合结构膜的巨磁阻抗效应

采用射频溅射法分别在零磁场和72kA/m的纵向静磁场下,制备了结构为(F/SiO2)3/Ag/(SiO2/F)3(F=Fe71.5Cu1Cr2.5V4Si12B9)的多层复合膜.研究了沉积态样品的软磁特性和巨磁阻抗(GMI)效应.结果表明,在无磁场沉积态样品中未探测到GMI效应.在沉积过程中加纵向磁场明显优化了材料的软磁性能,从而获得显著的GMI效应.在6.81MHz的频率下,最大纵向和横向GMI比分别高达45%和44%.同时还分析了磁阻抗比、磁电阻比、磁电抗比和有效磁导率比随频率变化的行为,发现磁场沉积态样品的纵向和横向GMI效应随频率变化的频谱曲线几乎重合.阻抗在低频下主要是巨磁电感效应.当频率f>9MHz时,磁电抗比变为负值,即电抗的性质从电感性变成了电容性.     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

正背栅SOI-MOSFET二维阈值电压解析模型

通过建立沟道区域和埋氧区域的二维泊松方程,并考虑衬底区域的掺杂和背栅偏压对器件阈值电压的影响,得到了一种正背栅全耗尽SOI-MOSFET二维阈值电压模型.根据模型计算结果,研究了衬底掺杂浓度和衬底(背栅)偏压对器件阈值电压的影响,通过与MEDICI数值模拟结果的比较表明,该模型能预计不同衬底掺杂浓度和衬底(背栅)偏压对阈值电压的影响,正确反映器件的短沟效应和背栅效应.     

纵向磁场沉积态(F/SiO2)3/Ag/(SiO2/F)3多层复合结构膜的巨磁阻抗效应

采用射频溅射法分别在零磁场和72 kA/m的纵向静磁场下, 制备了结构为(F/SiO₂)₃/Ag/(SiO₂/F)₃ (F=Fe_71.5Cu1Cr_2.5V4Si₁₂B₉)的多层复合膜. 研究了沉积态样品的软磁特性和巨磁阻抗(GMI)效应. 结果表明, 在无磁场沉积态样品中未探测到GMI效应. 在沉积过程中加纵向磁场明显优化了材料的软磁性能, 从而获得显著的GMI效应. 在6.81 MHz的频率下, 最大纵向和横向GMI比分别高达45%和44%. 同时还分析了磁阻抗比、磁电阻比、磁电抗比和有效磁导率比随频率变化的行为, 发现磁场沉积态样品的纵向和横向GMI效应随频率变化的频谱曲线几乎重合. 阻抗在低频下主要是巨磁电感效应. 当频率 f >9 MHz时, 磁电抗比变为负值, 即电抗的性质从电感性变成了电容性.     

声子晶体中多频带谷选择性角态

声学拓扑绝缘体具有拓扑保护、背散射及缺陷免疫的非传统声学边界态,为实现声波按需精细调控提供了一种有效的方法,其中二维高阶拓扑绝缘体中共同存在零维角态和一维边界态,使其拥有在多个维度上操纵波能量的能力,进一步增强了波调控的灵活度,引起广泛关注.本文提出了一种能够在多频带范围实现高阶拓扑态的C₃对称性元胞结构,其通过旋转散射体角度激活不同谷选择性角态.这种具有开关特性的角态可以根据需求进行声波场能量局域化调控,在实际运用中具有重要意义.相对于传统的单频带高阶拓扑绝缘体,本文所设计的元胞结构能够在基频带隙和二阶高频带隙中同时实现边界态的波导调控和角态的选择性激发,并具有优秀的缺陷免疫鲁棒性.该高阶拓扑绝缘体的多频带特性将有利于拓展传统单频带器件的工作频率范围和带宽,同时角态的谷选择性激发特点可推动声学拓扑绝缘体在多波段声波能量捕获、检测和采集声学器件中的应用.     

多孔硅反射镜基有机微腔器件的微结构和光电特性研究

从微结构和光电特性方面研究了一种新型硅基微腔的有机发光器件(SBM-OLEDs): 硅基多孔硅分布Bragg反射镜(PS-DBR)/SiO₂/ITO/有机多层膜/LiF/Al(1 nm)/Ag. 微腔器件的重要组成部分PS-DBR由低成本、高效率的电化学腐蚀方法制备. 场发射扫描电子显微图清晰显示: SBM-OLEDs具有纳米级层次结构和平整的界面. PS-DBR反射谱的阻止带宽160 nm, 且反射率达99%. SBM-OLEDs的反射谱中出现了标志此结构为微腔的共振腔膜. 在绿光和红光波段, 从SBM-OLEDs中都得到了改进的电致发光(EL)谱: 绿光(红光)EL谱的半高宽可由无微腔的83 nm (70 nm)窄化为有微腔时的8 nm (12 nm), 且为单峰发射, 微腔器件EL谱的色纯性有较大提高. 与非微腔器件相比, 发绿光和发红光的微腔在谐振波长处EL的强度分别增强了6倍和4倍. 对微腔器件的电流-亮度-电压(I-B-V)特性和影响器件寿命的因素也进行了讨论.     

不同退火气氛下钛掺杂氧化铪阻变存储器的性能研究

采用磁控溅射和光刻技术制备了阻变层为钛掺杂氧化铪的阻变存储器件(RRAM),研究氮气和氧气中退火处理工艺对其阻变性能的影响规律.结果表明氮气退火工艺能显著提高ITO/Hf Ti O/Pt器件的阻变性能.与制备态相比,氮气退火后存储器的阻变窗口增大,阻变参数的分散性变好;而氧气退火后阻变性能变差.为探索不同退火气氛对RRAM性能的影响机制,我们结合电流-电压(I-V)拟合机制和光电子能谱(XPS)分析,可以推断出ITO/Hf Ti O/Pt器件的阻变性能来源于阻变层中的氧空位形成的导电细丝,氮气退火有利于导电细丝的形成和断裂,所以能够优化器件的阻变性能.     

氧化锆基阻变存储器中金掺杂效应的第一性原理研究

氧空位在过渡金属氧化物阻变存储器的电阻转变中有重要作用.采用第一性原理计算方法,研究Au掺杂前后阻变层材料ZrO_2的能带结构、态密度、氧空位的形成能和迁移势垒能来分析氧化锆基阻变存储器中的Au掺杂效应.研究发现,Au掺杂后ZrO_2费米能级处出现了局域化杂质带且禁带宽度减小,由此提升了ZrO_2的导电能力;Au掺杂后氧空位形成能及迁移势垒能显著降低,从而有利于氧空位的形成和迁移,进而降低ZrO_2基阻变存储器的形成(forming)电压与置位(set)电压.我们利用电子局域函数模拟ZrO_2超晶胞[001]方向包含掺杂元素Au的氧空位列,结果表明局域在杂质周围的氧空位在[001]方向形成有序导电通道.     

热释电光电子学效应

光探测器作为一种将光能转换为电能的电子器件,在军事医疗、遥感通信等方面被广泛地应用.当半导体材料中同时产生光电和热释电时,器件的输出电流及光照时的光响应度,探测率等性能有明显的提升.因此,基于热释电-光伏-半导体三者协同耦合产生的热释电光电子学效应被作为提升光电器件性能的一种有效手段,被应用在多个领域.当器件被光照射时,光感应产生的热释电势对器件接触界面的内建电场进行调制,从而改变载流子的传输过程,而不同类型的材料与半导体接触时形成的内建电场和热释电电势各不相同,因此产生的热释电光电子学效应也存在差异.本文首先介绍了热释电光电子学效应的原理,然后研究了不同类型的材料与半导体接触时产生的热释电光电子学效应对器件电学性能的影响,具体包括半导体与半导体、半导体与金属、半导体与有机物以及半导体与氧化物接触;此外,对提升热释电光电子学效应的方法进行了介绍,包括压电-热释电-光电、铁电-热释电-光电等多物理场协同作用,以及对材料进行掺杂等方法;最后对热释电光电子学效应面临的挑战及在未来的发展作了进一步的展望.     

对位取代苯乙烯吡啶衍生物分子内电荷转移与双光子吸收效应关系的研究

以对位取代苯乙烯碘化吡啶为体系，进行了“D-π-A”型化合物分子内电荷转移 (ICT) 与双光子吸收效应关系的研究. 在锁模Nd∶YAG脉冲激光器（1064 nm, 40 ps脉宽）抽运下, 通过开孔Z-扫描技术测量双光子吸收截面、双通道能量计测试输入/输出(或透过) 曲线和双光子上转换激射效率、条纹相机记录双光子荧光寿命和双光子上转换激射谱等测试方法，系统研究了双光子机制导致的双光子吸收效应，如光限幅特性、双光子上转换荧光及双光子上转换激射等光物理性能，并结合理论计算研究了激发态分子内电荷转移对双光子吸收截面的影响.     

纳米硅薄膜材料在场发射压力传感器研制中的应用

设计研制了一种基于量子隧道效应机制的场发射压力传感器原型器件, 用CVD技术制备了粒径为3 ~ 9 nm, 厚度为30 ~ 40 nm的纳米硅薄膜, 并同时把这种低维材料引入到传感器阴极发射尖锥的制作, 形成纳米硅薄膜为实体的发射体结构. 用HREM及TED分析了纳米硅态的显微特性, 用场发射扫描电子显微镜SEM分析了发射体及阵列的微观结构, 用HP4145B晶体管参数测试仪考察了传感器件的场发射特性. 实验结果表明, 当外加电场为5.6×10⁵ V/m时, 器件有效区域发射电流密度可达53.5 A/m².     

热活化延迟荧光材料CzDBA掺杂器件的反常磁响应

CzDBA是一种donor-acceptor-donor (D-A-D)型的热活化延迟荧光(TADF)材料,具有比普通D-A型的TADF材料更好的发光性能.为了探究基于CzDBA发光器件的微观过程,本文制备了发光层为CzDBA和4CzTPN-Ph的两种器件,并在室温下测量了它们的电致发光的磁效应(magneto-ele...     

油酸功能化金属有机框架纳米片的摩擦学性能研究

利用对苯二甲酸与乙酸铜为原料,采用超声辅助自组装合成了铜基金属有机框架(Cu-MOF)纳米片,之后通过超声处理将油酸分子修饰于Cu-MOF表面,得到Cu-MOF@OA纳米片.相比于Cu-MOF纳米片, Cu-MOF@OA纳米片在保持片状结构的同时,其尺寸进一步减小,同时也使团聚问题得到了极大改善,在基础油500 N中表现出良好的分散稳定性.摩擦学试验表明,在1.0 wt.%的添加浓度下, Cu-MOF@OA展现出最佳的摩擦学性能,其摩擦系数降低至基础油的3/5,磨损体积降低至基础油的1/6.最后,利用扫描电子显微镜(SEM)与X射线光电子能谱(XPS)对Cu-MOF@OA纳米片润滑后的磨痕进行形貌和特征元素的表征,探究其润滑机制.结果表明,摩擦过程中在负载和剪切应力的共同作用下, Cu-MOF@OA纳米片、基础油以及铁基底三者之间发生了复杂的摩擦化学反应,形成了由含氮物质、含碳物质与铁氧化物组成的摩擦膜,降低了摩擦磨损.     

2.5～5.0μm波段中红外激光晶体的生长和性能研究

中红外激光在大气污染监控、气体流量监测、海洋探测、激光医疗、军事对抗、基础科学研究等方面具有极其重要的价值.本文总结了近年来2.5~5.0μm波段中红外激光晶体的生长、物化、光谱及激光性能研究进展.采用提拉法生长出了一系列Er~(3+)激活及稀土离子共掺的低声子能镓酸盐、铝酸盐晶体,如Gd_3Ga_5O_(12)(GGG),SrGdGa_3O_7,SrLaGa_3O_7,CaYAlO_4和CaGdAlO_4等晶体,Ho~(3+)激活及敏化离子共掺的GGG晶体,以及Dy~(3+):YAlO_3等晶体,实现了2.5~3.4μm波段的发光.采用坩埚下降法生长出高质量Dy~(3+):KPb2Cl5,Cr~(2+):CdSe,Cr~(2+):Fe~(2+):CdSe等晶体,实现了2.5~5.0μm波段的发光.系统地研究了这些晶体的物化和光谱性能.重点研究了Er~(3+)激活离子在中红外波段的荧光动力学:分析了激活离子的浓度效应、共掺敏化离子的敏化机制以及退激活离子在抑制自终态效应方面所起的作用,计算了激活离子与共掺敏化离子、激活离子与共掺退激活离子之间的能量传递效率,诠释了能量传递机制.根据光谱性能研究结果,筛选出不同晶体中Er~(3+)的最佳掺杂浓度、共掺敏化离子及退激活离子的种类和浓度.研究了Er~(3+)激活的GGG和CaYAlO_4等晶体的激光性能.采用965nmLD端面泵浦Er:GGG,Er,Pr:GGG和Er:GGG/GGG键合晶体,采用氙灯泵浦Cr,Er:YSGG等晶体,均实现了高效的2.7~2.8μm多波长连续或脉冲激光输出,并在Er:GGG晶体上首次实现单纵模微片激光输出.