激子的能量传输和电荷转移对激基复合物发光器件磁响应的调控

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近年来,基于热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence,TADF)的有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)逐渐成为大家青睐的研究课题。这是因为,大多数传统有机材料器件中的三重态激子往往不能得到有效利用,而TADF型OLED因具有较小的单、三线态能级差,使得部分三重态激子在外界热量的辅助下以反向系间窜跃过程(reverse intersystem crossing,RISC)的方式转变为单重态激子,最终提高器件的发光效率。尽管理论上采用TADF设计可以实现100%的激子利用率,但在大多数情况下,由于CT态激子间的RISC过程相对较慢,大多数三重态激子会累积甚至猝灭。因此,如何将器件中存在的大量三线态激子高效利用一直是科学界研究难题。激基复合物自然而然地成为了研究RISC过程的首选材料,这是因为它可以克服典型的分子内CT状态还面临的一些问题,例如麻烦的合成程序,稳定的载流子重组区域,难以调节的分子距离等。尽管激基复合物存在如此多的优势,但是一旦激基复合物的给体和受体被固定之后,很难改变它的固有特性。而且在主客体共混掺杂器件中,对主体和客体材料的选取,掺杂的比例等都有严格地要求。为更好地解决上述所提出的问题,本文设计了两类激基复合物相关的器件,并结合有机发光磁效应(organic magnetic field effects,OMFEs)检测工具来研究和理解激基复合物器件内部电子空穴对自旋态的相互转换过程和发光层中材料之间发生的能量转移过程。希望该研究可以帮助我们在深入了解其作用的前提下,更好地开发出高效率的发光器件。本文的研究主要集中在以下五部分:第一章为绪论部分,主要介绍了有机发光器件的基本发展历程,器件结构,发光机理,以及涉及到的一些电子-空穴对自旋对态之间的相互作用机制。另外也简单也介绍了有机磁响应原理,及常用于解释机理的磁响应物理模型。希望这些器件物理涉及到的基础知识能为后文工作的展开提供理论支撑。第二章为实验部分,主要分为有机器件的制备和测量两个部分。第三章我们介绍了以m-MTDATA和3TPYMB为代表的体异质结激基复合物器件在光激发方式下的一些微观特性。我们通过改变器件的外加偏压,激基复合物掺杂浓度,器件厚度和换用不同种类的激基复合物等因素,在室温和低温条件下测量了器件的光致发光磁响应和光电流磁响应。研究发现,对于光照射下的激基复合物器件,其激子产生和转移,输运的方式与以往电激发下激子的演化过程相反。其中单重态激子的解离,辐射及系间窜跃过程(intersystem crossing,ISC)是激子失活的主要通道,而上述变量的改变可以有效调控这三种通道的竞争。第四章我们针对激基复合物器件中的ISC和RISC过程展开研究。我们将惰性主体材料DPEPO和UGH-2掺杂到m-MTDATA:Bphen共掺杂形成的激基复合物当中。通过改变惰性材料的掺杂浓度来调控激基复合物给体和受体之间的分子距离,最终增强激基复合物单三线态间的RISC过程。同时该RISC过程的强弱与惰性的材料的极性相关联,我们可以通过有机磁响应加以区分和分析。第五章:我们在运用第四章实验结论的基础之上,将激基复合物与荧光掺杂剂Rubrene共掺杂,并选取不同的激基复合物作为掺杂主体。同样以有机磁响应为研究技术,通过对比Rubrene相关的四种激基复合物器件,发现主体最终将自身的能量通过能量转移(energy transfer,ET)传输给客体,以便实现客体高效率发光。但该过程前提是主客体激子间的能级要匹配,这样才可以看到Rubrene中的第二高能级三线态激子间的RISC过程。
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