利用有机磁效应研究Rubrene发光器件中三重态激子相关的微观过程

摘要

有机发光二极管，即organic light emitting diode(OLED)，它由于驱动电压低、发光亮度与效率高、视角宽阔、响应迅速、可大面积制备、可以弯曲等优势在过去10年得到迅猛发展，并成为显示和照明领域中最引人注目的技术。深入研究并开发新型的有机材料则已成为提高 OLED性能的一个重要途径，在大量的有机材料中，红荧烯(Rubrene)凭借其特殊的光电性能而引起广泛关注。它具有高迁移率、单重态激子能量约等于两倍三重态激子能量等特性，被用于有机场效应管(OFET)、OLED和有机太阳能电池(OSC)等有机器件中。事实上，科研工作者们对Rubrene已有一定的研究与应用，但仍有一些问题尚不清晰，比如基于Rubrene的 OLED中三重态激子与电荷的相互作用机制，且激子间相互作用如何受Zeeman分裂调控等，这些问题的解决不但可以帮助我们很好地认识OLED内部微观过程，也有可能为优化器件性能指明方向。
　　本论文针对上述问题制备了一系列基于 Rubrene的 OLED器件，并采用有机磁效应这一特殊的工具对其内部微观粒子的相互作用进行分析。通过不同偏压与温度下的磁效应曲线测量，加上相关经验公式的拟合与量化，从而对其内部机制有了一定了解。分析发现：①Rubrene OLED中三重态激子会被空穴解离，电子被三重态激子散射，两者产生相反的电流效应；②器件发光的磁效应在零磁场附近具有精细结构，室温下表现为超精细相互作用与 Zeeman作用的共同结果；低温下表现为三重态激子对间的零场劈裂与Zeeman作用共同调控的结果。经过对这些微观机制的进一步认识，希望能够加深对有机半导体器件中各微观态间自旋相互作用的了解。
　　本论文的主要内容包括以下四个部分：
　　第一章为绪论，介绍了有机电子学的基本概念，并以其为起点着重介绍了OLED，包括OLED的发展历程，工作原理以及OLED器件中的激发态。然后基于激发态间的相互作用引出了有机磁效应这一概念，重点阐述了与本论文相关的几种磁效应模型——超精细相互作用(HFI)模型、三重态激子聚变(TTA)与单重态激子裂变(STT)、三重态-电荷反应(TQI)模型；除此之外，简单地对超小场磁效应以及磁效应曲线的拟合作了相关介绍。最后，详细介绍了与TTA和STT过程相关的，也就是本论文的研究对象——Rubrene分子，并由此引出论文的主要工作，即对Rubrene OLED器件中三重态激子演化过程进行研究。
　　第二章详细介绍了本实验室制备 OLED的方法及对样品光-电-磁特性的测试。重点介绍小分子和金属电极的真空蒸镀方法、聚合物的旋涂制膜以及光谱分析、磁效应分析等。
　　第三章介绍了不同结构的 Rubrene OLED器件，包括 ITO/NPB(60 nm)/Rubrene(30 nm)/BCP(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)，ITO/NPB(60 nm)/Rubrene(30 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)， ITO/m-MTDATA(60 nm)/Rubrene(30 nm)/BCP(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)和 ITO/NPB(60 nm)/Rubrene(30 nm)/BCP(50 nm)/Al(120 nm)。其中，采用不同的空穴与电子注入层可以分别改变其注入势垒，去阴极修饰材料LiF可以减少电子的注入，这些方法都可以改变器件中的净余电荷，为调控三重态激子与电荷间的相互作用创造有利条件。对器件施加不同的外加偏压，采用恒流模式测量了磁电导(Magneto-conductance，MC)曲线，并对其采用一个Lorentzian与两个non-Lorentzian经验公式的组合进行拟合。结果表明：在Rubrene器件中发生了TQI反应并可直接影响器件的MC，该反应包括解离和散射两种途径并且两种途径的作用对象不同。解离途径是指空穴对三重态激子的解离，产生负的MC；散射途径是指三重态激子对电子的散射，在磁场下产生正的MC。器件总MC表现为两者叠加的最终效果，而低温下MC结果对这一结论进行了证实。
　　第四章，为了对Rubrene器件中的三重态激子作进一步研究，我们制备了结构 ITO/PEDOT:PSS/m-MTDATA(60 nm)/Rubrene(30 nm)/BCP(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)的器件并测量了其在不同偏压和温度下的磁电致发光(Magneto-luminescence，MEL)。实验发现，器件 MEL在0?|B|?500 mT区域内室温下为典型的STT线型而低温下为TTA线型；而对于零磁场附近±2 mT范围内，室温下的MEL曲线呈现出“W”型，但当温度降为75 K左右则演化为“M”线型。分析表明：“W”线型是H原子核引起的超精细场与外磁场引起的Zeeman分裂的共同结果“；M”线型与TTA过程相关，是三重态激子对间的零场劈裂与Zeeman作用对TTA过程共同调控的结果。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 有机电子学概论

1.2 有机发光二极管

1.3 有机磁场效应

1.4 红荧烯

1.5 本论文的选题意义和主要工作

第二章 OLED器件的制备及光-电-磁性能测量

2.1 OLED的制备

2.2 器件光-电-磁性能的测量

第三章 利用有机磁电导分析Rubrene OLED中三重态激子解离与电子散射过程

3.1引 言

3.2实验部分

3.3 测量结果与分析

3.4 本章小节

第四章 超小磁场下Rubrene OLED的电致发光磁效应研究

4.1引 言

4.2 器件制备与测量

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总 结

参考文献

攻读硕士学位期间的科研情况

致谢