本文關(guān)鍵詞：有機(jī)電致發(fā)光器件的磁致亮度變化及其在器件物理中的應(yīng)用研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：當(dāng)前，有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。對(duì)OLED的研究，也從之前的“如何提高器件效率”階段進(jìn)入到了現(xiàn)在的“如何保證高效率的同時(shí)降低生產(chǎn)成本”階段。然而，對(duì)OLED中的磁場(chǎng)效應(yīng)的研究還處于初級(jí)階段。磁場(chǎng)效應(yīng)指的是，不含任何磁性材料的OLED中，電流和發(fā)光亮度在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生的改變。這一現(xiàn)象自2003年被首次報(bào)導(dǎo)之后就引起了廣泛的研究興趣，因?yàn)樗荒鼙蝗魏螣o機(jī)器件中的磁場(chǎng)效應(yīng)的物理機(jī)制所解釋，而闡明OLED的這一新奇現(xiàn)象背后的物理機(jī)制又必然會(huì)加深我們對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體材料與器件的理解，特別是與自旋相關(guān)的各種物理過程。另外，如何對(duì)有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)加以利用從而發(fā)展出一種集光電磁功能于一體的新型器件也十分令人期待。 過去的幾年，研究者觀察到了OLED中形式不一的磁場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象，并且基于自己的數(shù)據(jù)，提出了多個(gè)解釋OLED磁場(chǎng)效應(yīng)的物理模型，主要有電子-空穴對(duì)（EHP）模型、雙極化子（Bipolaron）模型、三線態(tài)-載流子相互作用（TPI）模型、以及三線態(tài)-三線態(tài)淬滅（TTA）模型。然而，每一個(gè)模型都不能解釋當(dāng)前所有的磁場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象，因而引發(fā)了激烈的爭(zhēng)論。應(yīng)當(dāng)注意，跟無機(jī)材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體材料有其特殊的電子結(jié)構(gòu)；另外，由于有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)多樣，元素組成不一，形成固態(tài)薄膜時(shí)又呈現(xiàn)出千差萬別的形貌，這些都會(huì)導(dǎo)致OLED的物理過程出現(xiàn)差別，進(jìn)而引起磁場(chǎng)效應(yīng)的不一。 我們注意到，之前對(duì)有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)的研究都采用穩(wěn)態(tài)方法，即用恒定的電壓（或電流）驅(qū)動(dòng)器件，然后研究磁場(chǎng)對(duì)器件電流（或電壓）和發(fā)光的影響。本論文中，我們首次提出并應(yīng)用瞬態(tài)方法研究OLED發(fā)光的磁場(chǎng)效應(yīng)（Magneto-electroluminescence，MEL）。我們選用經(jīng)典的NPB/Alq3器件作為研究對(duì)象，測(cè)試外加磁場(chǎng)作用下瞬態(tài)EL中各個(gè)階段的變化。這種方法有其特殊的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椋核矐B(tài)EL的各個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)著器件中不同的物理過程。我們發(fā)現(xiàn)，在有外加磁場(chǎng)和沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，器件的瞬態(tài)EL上升沿是重合的，這表明磁場(chǎng)沒有改變載流子的遷移率，因?yàn)閺拿}沖電壓到達(dá)器件到瞬態(tài)EL開始發(fā)光（即上升沿）的時(shí)間延遲，就是載流子在器件中的傳輸時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙極化子模型在OLED正常工作狀態(tài)（平衡的雙極性注入）下是不適用的。進(jìn)一步，我們給脈沖電壓加一個(gè)大于器件開啟電壓的基線電壓，我們發(fā)現(xiàn)，此時(shí)器件瞬態(tài)EL在有無外加磁場(chǎng)時(shí)，其上升沿依然是重合的。由于在這種情況下，載流子在傳輸過程中會(huì)與器件中已經(jīng)存在的三線態(tài)激子發(fā)生相互作用，所以這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在OLED處于平衡的雙極性注入的情況下，TPI模型也是不適用的。然而，在這兩種模式的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下，器件瞬態(tài)EL的平臺(tái)和下降沿在有無外加磁場(chǎng)時(shí)是分開的，表明OLED中MEL的產(chǎn)生，與器件中載流子的雙極性注入密切相關(guān)，即EHP模型和TTA模型可能是適用的。為此，我們又分析了基于瞬態(tài)EL方法所獲得的時(shí)間分辨MEL，同時(shí)對(duì)器件內(nèi)部激子和載流子相關(guān)的動(dòng)態(tài)物理過程進(jìn)行理論模擬，并在模擬過程中考慮磁場(chǎng)對(duì)系間竄越（ISC）和TTA的影響（即在模擬中引入EHP模型和TTA模型）。結(jié)果表明，在OLED正常工作狀態(tài)下，MEL是EHP模型和TTA模型復(fù)合作用的結(jié)果。 在繼續(xù)采用瞬態(tài)方法的同時(shí)，我們輔以穩(wěn)態(tài)的方法，并對(duì)比研究了脈沖電壓和恒定電壓兩種驅(qū)動(dòng)模式下器件的MEL異同。采用穩(wěn)態(tài)方法，我們探索了產(chǎn)生MEL和電流磁場(chǎng)效應(yīng)（Magneto-current，MC）的關(guān)系。我們制備了單空穴器件、單電子器件、和雙極型器件，并測(cè)量了它們的MC或MEL。在我們實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)試精度（約萬分之一）下，單空穴器件中不能檢測(cè)到MC，在單電子器件中我們檢測(cè)到了極微弱的MC。在雙極型器件中，正常的MC和MEL都能夠被檢測(cè)到。結(jié)果表明，，有機(jī)半導(dǎo)體中的磁場(chǎng)效應(yīng)能夠被檢測(cè)到的一個(gè)重要條件是器件中載流子的雙極性注入。我們還發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)態(tài)方法和瞬態(tài)方法測(cè)試下的MEL表現(xiàn)出很大的不同。我們通過增加脈沖電壓的脈寬和頻率來增加脈沖電壓的占空比，以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)電壓到穩(wěn)態(tài)電壓的過渡，并測(cè)量不同占空比時(shí)的MEL。我們發(fā)現(xiàn)，隨著占空比的增加，器件的MEL呈現(xiàn)了不斷增加的趨勢(shì)。并且當(dāng)脈沖電壓的占空比接近1時(shí)，器件的MEL與穩(wěn)態(tài)方法所測(cè)的值的大小基本一致。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然支持EHP模型和TTA模型，而造成瞬態(tài)情況和穩(wěn)態(tài)情況下MEL不同的原因是：不同驅(qū)動(dòng)條件下器件內(nèi)部陷阱捕獲載流子以及載流子脫阱不同。 在澄清了MEL背后的物理機(jī)制后，我們利用MEL作為一種研究手段，探究了基于電荷轉(zhuǎn)移態(tài)發(fā)光材料的OLED中單線態(tài)（S）與三線態(tài)（T）之間的相互轉(zhuǎn)換過程。在多數(shù)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)材料中，因?yàn)镾和T之間的能級(jí)差（ΔEST）很小，可以發(fā)生從T到S的反向系間竄越（reverse intersystem crossing，RISC）。但是，目前驗(yàn)證RISC的實(shí)驗(yàn)手段卻寥寥可數(shù)。我們制備了基于一種分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)材料TPA-NZP的OLED，并測(cè)試器件的MEL。我們發(fā)現(xiàn)MEL為負(fù)值，證明器件中確實(shí)發(fā)生著RISC過程。然而，當(dāng)ΔEST很小時(shí)， ISC和RISC都能有效地發(fā)生，它們中誰占主導(dǎo)將決定S與T之間相互轉(zhuǎn)換的方向。我們通過測(cè)量MEL隨驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)時(shí)間的變化，研究了S與T之間相互轉(zhuǎn)換的方向問題。隨著驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)時(shí)間的增加，MEL逐漸增加并且從負(fù)值變?yōu)榱苏担@表明器件中S與T之間的相互轉(zhuǎn)換方向發(fā)生了改變，即由RISC占主導(dǎo)變?yōu)镮SC占主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基于電荷轉(zhuǎn)移態(tài)發(fā)光材料的OLED中，T與S之間的相互轉(zhuǎn)換是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過程。 將MEL作為一種研究手段，我們還探索了OLED中的另外一些物理過程。我們研究了摻雜熒光OLED中客體激子生成的兩種途徑：能量傳遞與陷阱捕獲。在我們的摻雜器件中，我們選用TPA-NZP作為摻雜客體，選用具有不同帶隙的普通熒光材料Alq3和mCP作為摻雜母體。同時(shí)我們也制備了基于TPA-NZP和Alq3的非摻雜器件。通過分析摻雜器件的MEL以及對(duì)比分析摻雜器件與非摻雜器件的MEL，我們發(fā)現(xiàn)：（1）隨著主客體間HOMO（或LUMO）的能級(jí)差增大，陷阱捕獲載流子直接生成客體激子這個(gè)過程越來越重要；（2）即便主客體間的HOMO（或LUMO）的能級(jí)差很小，并且主體材料的發(fā)射譜與客體材料的吸收譜的重疊度很高，陷阱捕獲載流子直接生成客體激子依然不可忽略。利用MEL，我們還探討了基于“開殼”有機(jī)分子的OLED中輻射激子的自旋組態(tài)。我們采用一種穩(wěn)定的中性π共軛自由基TTM-1Cz作為發(fā)光主體，制備了一種新型的OLED。這種“開殼”有機(jī)分子的最高占有軌道只有一個(gè)電子，當(dāng)分子被激發(fā)后，最高占有軌道為空軌道，使得分子激發(fā)態(tài)向基態(tài)的躍遷是完全自旋允許的。我們對(duì)器件進(jìn)行了MEL測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種器件沒有MEL效應(yīng)，表明器件中不存在單線態(tài)和三線態(tài)激子，證明器件的發(fā)光是來自雙線態(tài)的輻射躍遷。這一工作提供了一種新的可以實(shí)現(xiàn)OLED中100%激子利用率的途徑；同時(shí)再一次證明了磁場(chǎng)效應(yīng)作為一種研究手段，在研究有機(jī)半導(dǎo)體器件中與自旋相關(guān)的物理過程中的價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：有機(jī)電子學(xué) 自旋電子學(xué) 有機(jī)電致發(fā)光器件 磁場(chǎng)效應(yīng) 磁致亮度變化 單線態(tài)-三線態(tài)相互轉(zhuǎn)換 雙線態(tài)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN383.1
【目錄】：

• 序4-5
• 摘要5-9
• Abstract9-18
• 第一章 緒論18-30
• 1.1 有機(jī)電致發(fā)光器件18-19
• 1.2 有機(jī)電致發(fā)光器件的磁場(chǎng)效應(yīng)19-20
• 1.3 有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)的研究進(jìn)展20-21
• 1.4 幾個(gè)主要的物理模型21-26
• 1.4.1 電子-空穴對(duì)模型22-23
• 1.4.2 三線態(tài)-載流子相互作用模型23-24
• 1.4.3 雙極化子模型24-25
• 1.4.4 三線態(tài)-三線態(tài)淬滅模型25-26
• 1.5 本論文的選題思路與研究內(nèi)容26-30
• 第二章 瞬態(tài)方法研究磁場(chǎng)效應(yīng)30-50
• 2.1 引言30-31
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備31-33
• 2.2.1 OLED 制備與測(cè)試系統(tǒng)31-32
• 2.2.2 瞬態(tài)方法測(cè)試磁場(chǎng)效應(yīng)系統(tǒng)32-33
• 2.3 磁場(chǎng)對(duì) OLED 中載流子遷移率的影響33-39
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)部分33-34
• 2.3.2 結(jié)果與討論34-39
• 2.3.2.1 器件性能表征34-35
• 2.3.2.2 純脈沖電壓下器件的瞬態(tài) EL 磁場(chǎng)效應(yīng)35-36
• 2.3.2.3 有基線偏壓的脈沖電壓下器件的瞬態(tài) EL 磁場(chǎng)效應(yīng)36-39
• 2.4 時(shí)間分辨的磁致亮度變化39-48
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)部分39-40
• 2.4.2 結(jié)果與討論40-48
• 2.4.2.1 器件性能表征40-41
• 2.4.2.2 時(shí)間分辨的 MEL41-43
• 2.4.2.3 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的理論模擬43-48
• 2.5 本章小結(jié)48-50
• 第三章 瞬態(tài)磁場(chǎng)效應(yīng)與穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)比研究50-66
• 3.1 引言50
• 3.2 穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法50-52
• 3.3 穩(wěn)態(tài)方法研究 MC 和 MEL 的關(guān)系52-57
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)部分53-54
• 3.3.2 結(jié)果與討論54-57
• 3.3.2.1 器件的 J-V-L 特性54
• 3.3.2.2 單空穴器件的磁電導(dǎo)54-55
• 3.3.2.3 單電子器件的磁電導(dǎo)55
• 3.3.2.4 雙極型器件的 MC 和 MEL55-56
• 3.3.2.5 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論56-57
• 3.4 對(duì)比研究瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)方法測(cè)試的 MEL57-63
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)部分58
• 3.4.2 結(jié)果與討論58-63
• 3.4.2.1 瞬態(tài)方法測(cè)試的 MEL58-59
• 3.4.2.2 穩(wěn)態(tài)方法測(cè)試的 MEL59-60
• 3.4.2.3 不同占空比的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下的 MEL60-62
• 3.4.2.4 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論62-63
• 3.5 本章小結(jié)63-66
• 第四章 利用 MEL 研究電荷轉(zhuǎn)移態(tài) OLED 中的 S-T 相互轉(zhuǎn)換66-82
• 4.1 引言66-68
• 4.2 利用 MEL 證明分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)器件中的 RISC68-73
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)部分69
• 4.2.2 結(jié)果與討論69-73
• 4.2.2.1 材料與器件的基本性能表征69-70
• 4.2.2.2 非摻雜器件的 MEL70-73
• 4.2.2.3 摻雜器件的 MEL73
• 4.3 利用 MEL 研究電荷轉(zhuǎn)移態(tài) OLED 中 S-T 相互轉(zhuǎn)換方向73-81
• 4.3.1 研究方法74-75
• 4.3.2 結(jié)果與討論75-81
• 4.3.2.1 通過增強(qiáng) TTA 改變 S-T 相互轉(zhuǎn)換方向75-77
• 4.3.2.2 通過增強(qiáng) TPI 改變 S-T 相互轉(zhuǎn)換方向77-79
• 4.3.2.3 S-T 相互轉(zhuǎn)換方向與器件效率的關(guān)系79-80
• 4.3.2.4 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論80-81
• 4.4 本章小結(jié)81-82
• 第五章 利用 MEL 研究有機(jī)電致發(fā)光器件物理的其他案例82-100
• 5.1 引言82
• 5.2 利用 MEL 研究摻雜 OLED 中的能量傳遞與陷阱捕獲82-90
• 5.2.1 能量傳遞與陷阱捕獲83-84
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)部分84-86
• 5.2.3 結(jié)果與討論86-90
• 5.2.3.1 非摻雜器件的 MEL86-87
• 5.2.3.3 摻雜器件的 MEL87-90
• 5.3 利用 MEL 研究基于“開殼”有機(jī)分子的 OLED 中激發(fā)態(tài)的自旋組態(tài)90-98
• 5.3.1 “開殼”與“閉殼”有機(jī)分子中電子躍遷的對(duì)比91-92
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)部分92-93
• 5.3.3 結(jié)果與討論93-98
• 5.3.3.1 理論計(jì)算與光譜分析93-94
• 5.3.3.2 器件性能表征94-95
• 5.3.3.3 器件的 MEL 測(cè)試95-97
• 5.3.3.4 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論97-98
• 5.4 本章小結(jié)98-100
• 參考文獻(xiàn)100-122
• 作者簡(jiǎn)介122-124
• 在學(xué)期間取得的成果124-130
• 致謝130

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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8 李維軍;高f

本文編號(hào)：268463