收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

有机共轭聚合物中的光电特性研究

高琨  
【摘要】: 有机共轭聚合物作为一种新型的功能材料,即具有金属和半导体的电子性质,又具有聚合物的易加工、有柔性的机械特点,成为近年来的研究热点。对具有准一维特征的聚合物分子的结构和物性,特别是其独特的电磁光特性,可以说已经有了一个比较深入的理解。理论工作中无论从量化还是物理建模出发,都得到了与实验基本一致的结果。另外,聚合物是软凝聚态物质的典型代表,它的广泛研究推动了人类对有机体和生命物质的理解。 近20年来,以有机共轭聚合物材料研发成功的有机光电器件相继面世。如以聚对苯乙炔(PPV)族为发光材料合成的有机发光器件(organic light-emitting diodes,OLED’s)已实用;塑料激光器(plastic lasers)、有机光伏电池、电化学发光电池及纯有机三极管也已研制成功;最近又有关于小分子AL_(q3)以及齐聚物sexithienyl(T_6)作自旋极化输运材料的报道,从而开辟了有机自旋电子学这一新领域。有机光电器件的应用和发展同时刺激了实验和理论工作者对聚合物等有机材料光电特性的广泛研究。 与传统的无机材料相比,聚合物等有机材料具有很强的电子一晶格相互作用,电子的掺杂或激发同时导致晶格的畸变。因此,聚合物中的载流子不再是传统的电子或空穴,而是孤子、极化子、双极化子等电子一晶格的耦合态。另外,聚合物分子通过外界光激发可形成自陷束缚的激子,目前普遍认为聚合物材料的光发射来源于其内部激子的辐射衰变。由此可见,研究聚合物材料中载流子和激子的形成过程及基本性质是有机材料中光电特性研究的基础。近几年来,随着有机光电转换器件的广泛应用和发展需要,人们开始探讨聚合物材料中光致载流子的产生机制问题,并逐渐认识到聚合物等有机材料中的光载流子来源于激子解离。因此,认清激子和光载流子之间的联系及如何控制二者之间的相互转换对于提高有机光电器件的工作效率具有重要意义。 本论文中我们在一维紧束缚SSH模型基础上对哈密顿进行了修正,通过研究聚合物材料中链间耦合对激子形成的影响指出影响聚合物材料发光效率的因素。激子通过单光子激发可形成双激子态,Sun等人指出双激子态具有反向极化的特性。基于实验中还从来没有聚合物材料中反向极化现象的报道,我们从两个方面入手研究了聚合物材料中实现反向极化的途径。另外,通过研究激子的再激发我们指出激子解离是产生光载流子的有效途径,并对激子解离的机制、激子解离的电场相关性和聚合物材料中光电转换的控制进行了讨论。具体的研究内容和基本结果如下: 1.链间耦合对聚合物中激子形成的影响 早期研究发现,链间耦合将很大程度降低激子的束缚能。激子束缚能对有机光电器件的应用是一个非常重要的参数。对应激子束缚能较强的聚合物材料,无论是光激发的电子空穴对还是电场注入的电子空穴对都易于复合形成激子,此时聚合物材料将具有较高的发光效率;而相反,激子不容易生成,此时光载流子则具有较高的产生效率。基于以上分析,我们研究了链间耦合对聚合物中激子形成的影响 1.1计入链间耦合后,发现双链系统中的激子有两种存在状态:一种是激子在强耦合下仍主要局域在一条链中(称为“链间定域激子”);另一种是激子在链间平均扩展(称为“链间扩展激子”)。通过对比两种状态激子的形成能和束缚能,我们的结论是:(1)聚合物中的激子比极化子具有更强的链间定域性;(2)聚合物中链间定域激子更容易生成;(3)聚合物中链间耦合对激子束缚能的削弱作用来自于激子在聚合物分子间的扩展。 1.2研究了双链系统中激子的形成动力学过程。从两个方面讨论了链间耦合的作用:一方面通过冻结相邻的分子链,讨论激子在一条链中的形成动力学过程,发现周围的环境(或相邻分子链)对激子的形成几乎没有影响;另一方面把两条分子链作等价处理从而允许激子在链间扩展,检验它的动力学驰豫。发现:激发的电子—空穴对更容易复合形成链间定域激子,这与静态的图像一致;另外,激子的形成时间随链间耦合的增强显著增加,说明聚合物分子对外界光信号的响应随分子间相互作用的增强而延迟。 2.有机共轭聚合物中的反向极化现象 飞秒技术的发展为研究聚合物中的超快过程,特别是研究激发态的新性质提供了有力的工具,也为研究激发态的瞬间状态和动力学过程提供了方便。利用飞秒分光镜已经发现聚合物经过光激发可形成激子,而激子的二次激发可以得到双激子,相关的实验已经在PPV中发现。Sun等人发现外电场下聚合物材料中的单激子态是正向极化,而双激子态是反向极化。聚合物材料中的反向极化是一种非常有趣的物理现象,具有反向极化特性的体系会体现出新的电子学特点,它不仅在基础学研究方面很有意义,而且在技术上也有潜在的应用价值,可为开发具有负极化率的新型功能材料和研制量子开关器件提供理论基础。因此,聚合物材料中的反向极化引起了物理和化学工作者的极大兴趣。然而,实验中至今还从来没有聚合物材料中反向极化现象的报道。基于此,我们从两个方面入手研究了聚合物材料中实现反向极化的途径。 2.1既然聚合物材料中链间耦合可以降低激子束缚能,而激子束缚能反应了激子中电子空穴的束缚能力。可推测激子和双激子中正负电荷在外电场下的分布(极化)必然要受到链间耦合的影响。基于此,我们研究了链间耦合对聚合物分子中激子态正向极化,特别是双激子态反向极化的影响。发现:当简并破缺较小时,双激子态反向极化程度随耦合强度的增加大幅提高;当简并破缺较大时,反向极化程度随耦合强度的增加基本不变。因此,我们建议:要在聚合物中通过双激子实现反向极化,实验中应该尽量降低聚合物材料的简并破缺强度,并且应该尽量提高聚合物分子间的聚合程度。 2.2虽然聚合物中的双激子可以实现反向极化,然而系统内两个电子同时受激跃迁的几率总是很低的,而且双激子态极不稳定,其寿命只有10~(-10)s左右,因此这种激发方式不容易控制,有必要寻找其它具有反向极化特性的激发态。大家知道,高分子聚合物通过掺杂或光激发,可以形成稳定的单极化子,其带隙中出现两条定域能级。如果对其进行再次激发,则低定域能级上的电子会跃迁到高定域能级上,从而同样会出现高定域能级电子数多于低定域能级电子数的情况,这正是聚合物中出现反向极化的基本条件。基于此,我们研究了带电低聚物中的反向极化。发现:带电低聚物通过单光子激发可以实现反向极化,而且反向极化强度是链长相关的。另外我们指出带电低聚物中的反向极化强度随电场增加呈现明显的非线性特征。 3.聚合物中光载流子的产生机制 实验证实光激发后聚合物中存在明显的光电流,由此研发出了太阳能电池、光伏电池、光电照相机等光电转换器件。然而聚合物中光载流子的产生机制却存在较大争议。研究光载流子产生机制对于提高有机光电器件的工作效率具有重要意义。目前,关于光载流子的产生机制存在两种截然不同的观点:Heeger小组认为聚合物中的光致载流子为极化子对,它可由电子光跃迁直接产生,而与激子的形成无关,并且这一过程也是与电场无关的;另外,大量的实验性工作证实光致载流子是一个两步(two-step)过程,外界光激发首先在聚合物中产生激子态,聚合物中的载流子为自由的电荷对,来源于处于高激发状态激子的解离,并且这一过程与电场和外界温度是相关的。虽然现在好多工作倾向于后者,但是目前关于激子解离的机制仍不是很清楚。 3.1讨论了激子的两种光跃迁,进一步提出了聚合物分子中光致载流子的有效途径—激子解离。我们发现:激子的高能跃迁使激子解离为自由的荷电载流子,从而参与聚合物分子中的光电流;低能跃迁形成的激子激发态的解离是强电场相关的,只有在强场下低能跃迁使激子解离为自由荷电载流子。 3.2基于实验中发现聚合物固态薄膜中光载流子产生效率远大于溶液的现象,我们进一步研究了链间耦合对激子解离的影响。发现链间耦合有利于激子解离为自有载流子,从而定性解释了实验现象。 3.3最后,我们从非绝热动力学方法出发模拟了聚合物材料中的光电转换过程,并对其可能的应用进行了简单探讨。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 单世满;;溴化铊和氯化铊中激子的结合能[J];东北师大学报(自然科学版);1988年03期
2 余保龙,张桂兰,汤国庆,邹炳锁,陈文驹;纳米材料二氧化锡的制备和激子态光学特性研究[J];光学学报;1995年12期
3 张梦欣,邓振波,白峰,张志峰,徐登辉,梁春军,王瑞芬;铽配合物TbY(mMBA)_6(phen)_2·2H_2O的有机电致发光分析[J];光谱学与光谱分析;2005年06期
4 李文连;有机分子晶体中的激子与载流子传输[J];液晶与显示;1997年04期
5 白永强;量子阱中激子的光谱结构[J];大庆石油学院学报;2000年02期
6 金光熙;丁力;;高T_c氧化物超导体的声子—激子机制模型[J];吉林化工学院学报;1992年05期
7 师尚贵;一维极性分子链中的非线性效应[J];齐齐哈尔大学学报;2004年01期
8 徐颖,邓振波,徐登辉,肖静,王瑞芬;稀土配合物Tb(p-MBA)_3phen的有机电致发光[J];中国稀土学报;2004年06期
9 孙震;安忠;李元;刘文;刘德胜;解士杰;;高聚物中极化子和三重态激子的碰撞过程研究[J];物理学报;2009年06期
10 张知廉;;激子光谱快速测量方法[J];光谱仪器与分析;1997年02期
11 胡英杰,王承遇;影响CuCl微晶掺杂Na_2O-B_2O_3-Al_2O_3-SiO_2玻璃非[J];玻璃与搪瓷;1995年05期
12 杨洪涛;额尔敦朝鲁;冀文慧;;极性晶体中极化子效应对界面强耦合激子性质的影响(英文)[J];发光学报;2007年06期
13 华文玉;;GaAs/G_(a1-x)Al_xAs量子阱中激子的结合能[J];南京理工大学学报(自然科学版);1990年04期
14 华文玉;Ⅱ型量子阱In_(1-x)Ga_xAs/GaSb_(1-y)As_y中激子的结合能[J];南京理工大学学报(自然科学版);1992年03期
15 王文;聚合物电致发光材料研究进展[J];中国塑料;2000年06期
16 徐登辉,邓振波,张志峰,张梦欣,梁春军,王瑞芬;铽配合物与PVK混合体系的发光研究[J];光谱学与光谱分析;2004年12期
17 何天敬,王鹏,张孝静,刘凡镇;超微半导体AgBr的量子尺寸效应[J];化学物理学报;1995年01期
18 肖静,邓振波,徐登辉,徐颖,王瑞芬;稀土铽配合物TbY(m-MOBA)_6(phen)_2·2H_2O的有机电致发光单层器件的研究[J];中国稀土学报;2004年06期
19 张梦欣,邓振波,徐登辉,张志峰,白峰,梁春军,王瑞芬;稀土铽配合物TbY(m-MBA)_6(phen)_2·2H_2O的有机电致发光[J];中国稀土学报;2004年01期
20 关郑平,范广涵,吕有明,范希武;在透明CaF_2衬底上生长的ZnSe-ZnS应变超晶格的光学性质[J];稀有金属;1994年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 彭景翠;瞿述;吴凤英;陈小华;;高分子聚合物的电致发光研究[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年
2 杨立功;陈林;施敏敏;白茹;汪茫;陈红征;;界面纳米结构对有机光伏器件光电流性能的影响研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(下册)[C];2006年
3 汤叔楩;;非常色散相互作用维持的激子物质[A];中国物理学会静电专业委员会第十三届学术年会论文集[C];2006年
4 曹昌祺;;低浓度Frenkel激子的超辐射[A];第九届全国量子光学学术报告会摘要集(Ⅱ)[C];2000年
5 陈慧;顾书林;朱顺明;;N掺杂ZnO中的缺陷与光致发光[A];第十五届全国化合物半导体材料,微波器件和光电器件学术会议论文集[C];2008年
6 彭金璋;彭景翠;瞿述;;有机电致发光器件的效率及寿命[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年
7 封继康;;有机分子与聚合物电子结构与电致发光性质的理论研究[A];中国化学会第27届学术年会第14分会场摘要集[C];2010年
8 惠萍;;利用B-splines特性计算PbS量子点中的激子基态能量[A];中国科协2005年学术年会论文集——核科技、核应用、核经济论坛[C];2005年
9 陈丽平;帅志刚;;发光共轭聚合物激子形成几率的理论研究[A];中国化学会第九届全国量子化学学术会议暨庆祝徐光宪教授从教六十年论文摘要集[C];2005年
10 杨晓杰;许小亮;谢家纯;徐传明;徐军;刘洪图;;ZnO同质p-n结的研究[A];TFC’03全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 苏未安;纳米半导体中的多重激子效应及其应用[D];上海交通大学;2013年
2 张立功;ZnCdSe量子阱/CdSe量子点复合结构中激子过程的研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2003年
3 郭子政;Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构中的激子及其压力效应[D];内蒙古大学;2004年
4 赵国军;半导体量子阱中的杂质态和激子的压力效应[D];内蒙古大学;2003年
5 徐登辉;超薄层在有机电致发光器件中的应用[D];北京交通大学;2007年
6 李宏建;有机薄膜发光的研究及多孔硅发光的初步探讨[D];湖南大学;2002年
7 王志军;ZnO量子点中激子的基态特性及表面修饰对光学性质的影响[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2005年
8 张喜田;纳米氧化锌薄膜的结构和光学特性研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2002年
9 肖步文;亚单层发光和硅基顶发射有机电致发光器件研究[D];吉林大学;2006年
10 宋群梁;有机小分子太阳能电池的界面研究[D];复旦大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵梅兰;量子点量子阱结构中的激子[D];内蒙古大学;2012年
2 张迎涛;外加磁场下方形量子阱线中激子的束缚能[D];河北师范大学;2002年
3 朱会彩;磁场下量子环中两电子和激子的能态及光学性质研究[D];河北师范大学;2010年
4 薛芳;磁场作用下椭圆量子环上激子和带电激子的基态能[D];河北师范大学;2010年
5 杨光;半导体量子阱微腔激光器激子效应研究[D];河北工业大学;2003年
6 马剑钢;低维氧化锌材料的微结构和光学性质研究[D];东北师范大学;2002年
7 金虎杰;YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导体声子—激子联合超导机理模型的理论研究[D];延边大学;2003年
8 张淑芳;GaAs-Al_xGa_(1-x)As量子阱中带电激子的性质[D];河北师范大学;2002年
9 李华;PtCl络合物的开链边界条件和激子[D];四川师范大学;2002年
10 赵兴华;ZnSe_(1-x)Te_x中的自陷态激子研究[D];南京师范大学;2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 冯卫东;美研制出首个以激子为基础的电路[N];科技日报;2008年
2 晓卫;吃秋果要慎重[N];保健时报;2003年
3 宋海云;孕期为何易发胰腺炎?[N];大众卫生报;2004年
4 郭卿哲;孕妇十不宜[N];陕西科技报;2002年
5 刘朝晖;哪些因素可致流产[N];中国医药报;2002年
6 贾建军;准妈妈孕期生活九不宜[N];大众卫生报;2003年
7 主任医师:洪玉;孕妇患阑尾炎拒绝手术对吗[N];卫生与生活报;2004年
8 余志平;肥胖致癌的“罪魁祸首”[N];中国医药报;2001年
9 何屹;把彩电卷卷叠起来![N];科技日报;2004年
10 李家友;新法培植黑木耳[N];湖南科技报;2000年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978