摘要
近几年来，在多并苯及其衍生物材料（如并五苯、并四苯、红荧烯）中发生的单重态激子的裂变过程（singlet exciton fission，简称SF或激子裂变）成为有机电子学领域中的一个学术热点。能够发生激子裂变过程的有机材料可被当作一种新型的敏化剂，用来提高有机光电器件的量子效率。这是由于一方面，在常用的有机荧光与光伏材料中T1态激子的寿命比S1态激子的寿命长得多，这有利于激子在器件中扩散到界面附近进行拆分解离；另一方面，材料吸收一个光子后能够通过激子裂变过程产生两个T1态激子，如果这两个T1激子都可以解离为自由电子与空穴，则器件的光电流输出将得到大幅提高。然而，从实际的应用角度出发，激子裂变过程只能看作是S1态激子诸多衰减过程中的一种，在器件中有可能存在激子与电荷间的淬灭作用，使这种敏化机制失效。然而，研究者们对有机光伏器件中内部载流子的运输方式以及其内部微观动力学机制的解释也不一致。本文着眼于与激子裂变的微观动力学过程相关的若干重要问题，开展有针对性的实验研究。同时综合器件的光致发光与光电流的稳态、磁场效应测量，研究分子间耦合强度、热激发对激子裂变速率的影响，力图获得定量的结果和确定性的结论，深入解析激子裂变过程的微观机制，促进激子裂变的机理解释与器件应用两方面的进步。所以，研究激子裂变过程的微观动力学实质将有助于提高有机光伏器件的光电转换能力，发挥其潜在的应用价值。 本文主要研究了有机薄膜中分子间耦合强度以及热激活对单重态激子裂变速率的影响。对于分子间耦合强度对激子裂变速率影响的研究，通过掺杂的方式改变相邻红荧烯分子间的间距，从而改变相邻红荧烯分子间的耦合强度，实验发现分子间耦合强度对激子裂变速率有显著的影响；对于热激发对激子裂变速率影响的研究，我们测量了不同温度下红荧烯掺杂有机薄膜(Alq3:rubrene(20%))的光致发光谱以及磁效应。发现在50~300K的温度范围内，rubrene分子间激子裂变的速率是依赖于温度的。从而充分证明了温度是调节红荧烯分子激子裂变速率的有效方式。 本论文的研究结果如下： (1)首先本文系统的分析了国内外科研工作者对单重态激子裂变过程的研究现状。其次，介绍了单重态激子发生裂变需满足的基本条件，分析了目前关于激子裂变常见的几种理论模型，如“激发态电子转移”模型、“激发态内转换”模型等。最后，详细介绍了我们实验室利用实验与理论相结合的方式定性研究分子间耦合强度、热激发对激子裂变速率的影响，同时借助于磁场手段。 (2)本文第三章介绍了rubrene分子间耦合强度对S1态激子裂变速率的影响。实验上，制备了Alq3:rubrene(x%)复合薄膜，在室温下测量了红荧烯掺杂有机薄膜光致发光的磁场效应。发现，光致发光磁场效应的幅度与红荧烯分子间的平均间距之间展现出非线性的对应关系。这种现象说明，当改变掺杂分子间的间距时，相邻rubrene分子间的耦合强度变化可以对激子裂变过程的强度产生重要的影响。在理论上，磁效应幅度与分子间距之间的非线性关系可以采用朗道-齐纳的非绝热跃迁理论进行解释。而实验上，研究分子间耦合强度改变时激子裂变过程的变化，是研究激子裂变过程微观动力学的一种重要方法。 (3)本文第四章介绍了红荧烯掺杂薄膜中激子裂变速率与温度间的依赖关系。实验上制备了Alq3:rubrene(20%)掺杂有机薄膜，并测量了不同温度下复合薄膜的光致发光谱以及磁效应MPL。实验发现，当把温度从300K降低到50K时，薄膜光致发光的强度连续增强，而谱线的磁效应却逐渐下降。表明，rubrene分子间激子的裂变过程是依赖于温度的，即在红荧烯复合薄膜中激子裂变过程是一个热激活过程。
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