近幾年來,在一些特殊有機材料中發(fā)現的激子裂變過程,已在有機電子學領域和光伏器件研究中上升為一個熱點問題。激子裂變過程,是指一個受激發(fā)的單重態(tài)激子S_1將其能量的一半轉移到另一個基態(tài)分子S_0上,最終形成兩個三重態(tài)激子T_1的過程。它之所以能引發(fā)研究者們的廣泛關注,主要原因有兩個:首先,在常用的光伏材料中,S_1態(tài)激子壽命在10~(-9)~10~-66 s范圍,T_1態(tài)激子壽命在10~(-6)~20 s范圍,因此相比S_1態(tài)激子而言,T_1態(tài)激子的壽命要長得多。這為有機光伏器件的激子擴散過程提供了非常有利的條件;其次,由于激子裂變吸收一個光子的能量可生成兩個較低能量的T_1態(tài)激子,若它們都能夠解離為自由的空穴與電子,則器件的光電轉換效率將得到大幅提高。但就現實情況來看,激子裂變只是S_1態(tài)激子所有衰變的一種,器件中還存在激子與電荷間發(fā)生的淬滅作用,使這種裂變機制失效。由此可知,要想發(fā)揮其優(yōu)勢,該有機材料的裂變速率必須高于其他衰減過程速率。我們通過實驗發(fā)現,隨著分子間LUMO能級勢壘的增大,激子裂變速率逐漸減小;結合以上實驗結果,我們進一步將激子裂變的“雙電子轉移”模型與“雙空穴轉移”模型進行分析,肯定了“雙電子轉移”模型。隨后,我們又探究了分子距離與激子裂變的依賴關系,對比“Dexter能量轉移”模型與“雙電子轉移”模型,再次驗證了“雙電子轉移”模型對于解釋激子裂變過程的合理性。該工作的有效實施,為研究激子裂變的微觀物理機制提供了一種切實可靠的實驗方法與研究思路。但要想徹底搞清楚激子裂變出現的工作機制和原理,其難度還是很大。本論文的研究結果如下:(1)第一章,介紹了有機光電材料中激子裂變現象的物理過程,系統的分析了激子裂變的研究意義和應用價值,其次介紹了有關激子裂變研究的進展,最后闡述了本論文的主要研究工作。(2)第二章,主要從實驗前期準備、有機摻雜薄膜的熱蒸鍍,介紹了實驗樣品的制備過程。以及穩(wěn)態(tài)發(fā)射光譜和瞬態(tài)發(fā)光衰減曲線的測量過程與實驗儀器。(3)第三章,介紹了分子間激子裂變過程的電荷轉移模型,通過在不同有機分子中摻雜具有激子裂變特性的紅熒烯材料,探究紅熒烯分子間能級勢壘對單重態(tài)激子裂變的影響。實驗上,我們制備了Alq_3:rubrene(x)、NPB:rubrene(x)、BCP:rubrene(x)、TPBi:rubrene(x)、mCP:rubrene(x)5種混合薄膜,其中x=50%、40%、30%,并在室溫下測量這5種摻雜薄膜的光致發(fā)光光譜與瞬態(tài)衰減曲線。通過擬合瞬態(tài)衰減曲線,我們發(fā)現在相同摻雜濃度下,隨著紅熒烯分子間LUMO能級勢壘的變大,激子裂變速率逐漸減小,而與紅熒烯分子間HOMO能級勢壘的大小沒有直接的關系。由此結論,我們從實驗的角度首次證明了“雙電子轉移”模型在描述激子裂變物理過程的合理性,從而否定了“雙空穴轉移”模型。(4)第四章,介紹了Dexter能量轉移,通過在有機材料中摻雜不同濃度的紅熒烯分子,來改變相鄰紅熒烯分子的間距,探究分子間距對激子裂變的影響。實驗上,我們制備了NPB:rubrene(x)、BCP:rubrene(x)、TPBi:rubrene(x)、mCP:rubrene(x)4種混合薄膜,其中x=20%、30%、40%、50%,并在室溫下測量4種樣品的光致發(fā)光光譜與瞬態(tài)衰減曲線。通過擬合瞬態(tài)衰減曲線,我們發(fā)現隨著相鄰紅熒烯分子間距的增大,激子裂變速率呈指數衰減。對比Dexter能量轉移中分子距離依賴關系與激子裂變分子間距依賴關系,發(fā)現兩者在函數關系式上有很大的相似性。對比兩者的物理圖象,我們同樣發(fā)現二者高度的相似。由此我們可以得出,激子裂變的微觀動力學過程可以用“雙電子轉移”模型來理解。最后,我們根據費米黃金定則,對“雙電子轉移”模型深入探討,解析其直接方式與間接方式。(5)第五章,主要對以上實驗結果作以總結,并展望其發(fā)展前景。
【學位單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O471.3
【部分圖文】：

南大學碩士學位論文 第一章 緒論。其總能量與 S1態(tài)相近，整體表現為自旋單線態(tài)。它可以通過一個小的擾動自旋相干性，最終變?yōu)閮蓚�相互獨立的 T1態(tài)激子。除此以外上式中還包含了狀態(tài)相互轉換的速率參數，即 k1、k-1、k2、k-2，其中我們研究的重點是 k-2，激子裂變發(fā)生的速率。其余物理量已在前文提及，在此不做贅述。盡管激子裂變現象早在上世紀四五十年前就被發(fā)現，但并未取得廣泛關注到近些年，由于其在光伏電池中表現了突出的優(yōu)勢，才使激子裂變的研究得視。到目前為止，研究者已在多種有機材料中觀察到了明顯的激子裂變現象中最為常見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，分子結構如圖 示。

圖 1.2 Tetracene、Rubrene、Pentacene 能級結構示意圖事實上，激子裂變過程與激子聚變過程是同時進行的，實際的檢測結果應它們相互競爭的過程。聚變過程可認為是激子裂變的逆過程，最初于有機晶延遲熒光發(fā)射現象中發(fā)現，該熒光發(fā)射具有三線態(tài)激子壽命和單線態(tài)激子能特點。其產生機制是由兩個三線態(tài)激子作用形成一個單線態(tài)激子，再由單線子退激發(fā)射出熒光，該過程伴隨聚變發(fā)光。而激子裂變主要是產生發(fā)光是三激子退激發(fā)光，即磷光。圖 1.3(a、b)展示了聚變發(fā)光與裂變發(fā)光的電子過程。

圖 1.2 Tetracene、Rubrene、Pentacene 能級結構示意圖事實上，激子裂變過程與激子聚變過程是同時進行的，實際的檢測結果應該是它們相互競爭的過程。聚變過程可認為是激子裂變的逆過程，最初于有機晶體的延遲熒光發(fā)射現象中發(fā)現，該熒光發(fā)射具有三線態(tài)激子壽命和單線態(tài)激子能量的特點。其產生機制是由兩個三線態(tài)激子作用形成一個單線態(tài)激子，再由單線態(tài)激子退激發(fā)射出熒光，該過程伴隨聚變發(fā)光。而激子裂變主要是產生發(fā)光是三重態(tài)激子退激發(fā)光，即磷光。圖 1.3(a、b)展示了聚變發(fā)光與裂變發(fā)光的電子過程。

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本文編號：2825136