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有机光电器件中的磁场效应及激子行为研究

作　者: 雷衍连
导　师: 熊祖洪
学　校: 西南大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 有机光电器件磁场效应超精细转化三重态-三重态激子淬灭电子-空穴对
分类号: TN383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

有机光电器件中的磁场效应（简称有机磁场效应）是指在不包含任何磁性功能层的有机光电器件中,其电流或发光在外加磁场作用下发生改变的现象。由于有机磁场效应具有高的灵敏度,且其绝对值即使在室温下也较大等特点,因此,有机磁场效应的研究具有重要的科学意义和实用价值,从而引起了科研人员的广泛兴趣。尽管近年来有机磁场效应受到了世界各地研究人员广泛深入的研究,但是由于有机半导体材料的无序性和复杂性,产生有机磁场效应的微观机制至今仍然存在很大的争议。本论文分别对三种不同有机光电体系（包括常规型有机发光二极管、染料掺杂型有机发光二极管和聚合物太阳能电池）中的磁场效应进行了深入研究。通过研究磁场作用下的以上三种光电体系中相应的激子（激发态）行为,对产生有机磁场效应的可能的微观机制进行了阐述。本论文的主要内容包括以下几个部分：（1）采用有机分子束外延、共蒸发、旋涂和热阻蒸发等制样手段制备了各种不同结构的有机光电器件,包括常规有机发光器件、染料掺杂发光器件和聚合物太阳能电池器件。并对其光电性能进行了表征。（2）制各了结构为ITO/CuPc/NPB/Alq₃/LiF/Al的常规发光器件。采用恒流模式,在不同温度和不同驱动电流下测量了其发光强度随磁场的变化（磁电致发光）,发现磁电致发光在低温和大电流条件下随磁场先增加后减小。我们提出了一种复合模型来解释这一现象,即把磁电致发光低场上升归结为磁场调控的单重态／三重态极化子对转化的结果,而磁场抑制的三重态-三重态激子淬灭（TTA）过程则是磁电致发光高场下降的主要原因。通过测量磁电致发光对温度和驱动电流的依赖关系发现复合模型与实验结果吻合较好。（3）制备了结构为ITO/NPB/Alq₃:DCM/Alq₃/LiF/Al的染料掺杂发光器件,并测量了其磁电致发光效应,发现即使在室温下磁电致发光也能出现高场下降,这说明在DCM染料掺杂的有机小分子中实现了室温下的TTA过程。我们应用激发态的演化速率模型,定量的计算了TTA过程在这种荧光掺杂发光器件中对有机发光的贡献份额,结果发现TTA过程产生的额外单重态激子在室温下最大可占总单重态激子的17%。从而导致了发光器件内总的单重态激子分数超过了理论极限值0.25,可达到0.289。这一研究结果成功解释了为什么荧光发光器件中的内量子效率可以超过理论极限值25%。（4）制备了基于P3HT:PCBM体相异质结的有机太阳能电池器件,分别在光照和黑暗条件下测量了器件内电流的磁场效应（磁电导）,发现磁场能够有效增强电池器件的光电流；此外,我们还研究了电池器件中磁电导与器件内电流输运特性的关系,发现光电流在开路电压以下的正的磁电导主要是由磁场调节的单重态和三重态极化子对之间的超精细转化过程引起的,而光电流在开路电压以上的负磁电导效应与器件内的空间电荷限制电流输运性质有关。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-20
  1.1 有机磁场效应研究背景  10-13
    1.1.1 有机磁场效应研究的重要性和应用价值  10-11
    1.1.2 有机磁场效应研究的发展现状和亟待解决的问题  11-13
  1.2 有机光电器件与磁场效应  13-15
    1.2.1 有机发光二极管中的激发态与磁场效应  13-14
    1.2.2 有机太阳能电池中的基本物理过程与磁场效应  14-15
  1.3 本论文的选题意义和主要工作  15-17
  参考文献  17-20
第二章有机光电器件的制备与磁场效应测量技术  20-29
  2.1 有机光电器件的制备  20-24
    2.1.1 基片清洗与前期处理  20
    2.1.2 有机分子束沉积技术  20-23
    2.1.3 旋涂  23-24
    2.1.4 电子束蒸发技术  24
  2.2 有机光电器件中磁场效应的测量技术  24-28
    2.2.1 器件的光电性能表征  24-27
    2.2.2 器件的磁场效应测量  27-28
  参考文献  28-29
第三章常规型有机发光二极管中的磁电致发光效应及其温度和电流的依赖关系  29-39
  3.1 引言  29
  3.2 实验过程  29-30
  3.3 实验结果和讨论  30-36
    3.3.1 磁电致发光与复合模型  30-34
    3.3.2 高场效应和低场效应的电流和温度依赖关系  34-36
  3.4 本章小结  36-37
  参考文献  37-39
第四章染料掺杂型有机发光器件中的磁电致发光效应及额外单重态激子的产生  39-49
  4.1 引言  39-40
  4.2 实验过程  40
  4.3 实验结果与讨论  40-46
    4.3.1 掺杂影响的磁电致发光  40-42
    4.3.2 额外单重态激子的产生  42-46
  4.4 本章小结  46-47
  参考文献  47-49
第五章有机太阳能电池中的磁电导效应  49-59
  5.1 引言  49
  5.2 实验过程  49-50
  5.3 实验结果与讨论  50-56
    5.3.1 电池的性能表征(J-V曲线)  50-51
    5.3.2 磁场增强的光电流  51-53
    5.3.3 正负磁电导  53-56
  5.4 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第六章总结与展望  59-60
攻读硕士学位期间的科研情况  60-62
致谢  62

有机光电器件中的磁场效应及激子行为研究

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