基于BCPO发光材料近紫外有机发光二极管的电致发光效率与稳定性

近十年来,制备近紫外有机发光二极管成为有机电子学领域的研究热点之一.但是当器件的电致发光波长延伸到400 nm以下后,对器件中各功能层的材料选择提出了更高要求.本实验中,以宽带隙小分子材料BCPO(bis-4-(N-carbazolyl)phenyl)phenylphosphine oxide)为发光层,基于BCPO的发射光谱确定了电子传输材料和空穴传输材料,制备了电致发光峰位波长在384 nm附近的近紫外有机发光二极管.在最佳的器件结构下,器件的最大外量子效率达到2.98%,最大辐射功率达到38.2 mW/cm^(2).电致发光谱中波长在400 nm以下的近紫外光占比为57%.结果表明器件在恒压模式下展示了良好的稳定性,此外,对影响器件稳定性的多个关键因素给予了深入的分析.

平行偏振三色场对原子非次序双电离的调控

本文利用三维经典系综模型研究了平行偏振三色场中He原子的非次序双电离.利用强度相同的1600 nm和800 nm脉冲组成驱动场,低强度的400 nm脉冲作为控制场.研究结果表明,第一次返回碰撞轨道、奇数次返回碰撞轨道(不含第一次返回碰撞)和偶数次返回碰撞轨道释放的电子对和离子分别处在电子关联动量谱和离子动量谱上的不同区域.通过改变控制场的相位,可以很好地控制不同返回次数碰撞轨道在双电离中的占比,进而实现对电子动量分布和离子动量分布的控制.另外,多次返回碰撞导致的双电离以碰撞电离机制为主,而第一次返回碰撞导致的双电离以碰撞激发电离机制为主,所以通过改变控制场的相位也能实现对双电离机制的调控.

反旋双色椭偏场中Ar非次序双电离电子关联的强度依赖

本文利用三维经典系综模型研究了反向旋转双色椭偏(two-color elliptically polarized,TCEP)场中Ar原子非次序双电离(nonsequential double ionization,NSDI)的电子关联特性和再碰撞动力学.数值结果显示随激光强度的增大,电子对在x方向的关联动量分布从位于第一象限的V形结构逐渐演变成主要分布于二、四象限的弧形结构,最后过渡到主要位于第一象限的近原点分布.其主要的关联行为从正相关演变成反相关再到正相关.两脉冲组成的复合电场波形呈现出三叶草的形状,即1个周期的电场由3个不同方向的“叶片”组成,每个“叶片”称为一个波瓣,根据时间演化的顺序分别将其称为波瓣1、波瓣2和波瓣3.轨道分析发现,NSDI事件中单电离主要发生在波瓣1和波瓣3,且随强度的增大波瓣1的贡献越来越大,波瓣3的贡献越来越小.相应地电子主要从20°和175°两个方向返回母离子,且随强度的增大,20°附近返回的电子逐渐增多,175°附近返回的电子逐渐减少.

反向旋转双色椭偏场中原子隧穿电离电子的全息干涉

利用数值求解含时薛定谔方程和强场近似理论研究了反向旋转双色椭偏光场中氩原子隧穿电离电子的干涉.固定两脉冲的椭偏率均为0.3,当两椭偏场的相对相位为0.25π时,光电子动量谱中周期内干涉、叉状全息干涉和弧形全息干涉相互重叠.当两椭偏场的相对相位为0时,光电子动量谱中弧形全息干涉消除,并且周期内干涉和叉状全息干涉被彻底分离到动量谱的左右部分,从而得到一个在空间上独立的叉状全息干涉条纹.进一步研究表明,通过改变两椭偏光场的椭偏率还可以增强或抑制该独立叉状全息干涉条纹.这为干涉条纹的控制和分离提供了一个有效的手段,同时也有利于从全息干涉条纹中提取靶材结构信息和电子超快动力学信息.

利用发光磁效应研究同分异构体mCBP和CBP作为给体的激基复合物器件的微观过程

本文把同分异构体3,3’-Di(9H-carbazol-9-yl)biphenyl (m CBP)和4,4’-Bis(carbazol-9-yl)biphenyl (CBP)作为给体, PO-T2T作为受体,以质量比1∶1制备了两种激基复合物器件,并在不同温度和偏压下测量了器件的发光磁效应(magneto-electroluminescence, MEL).发现室温下m CBP为给体的器件,其MEL的低磁场部分表现出反向系间窜越(reverse intersystem crossing, RISC)过程,降温时该RISC转变为系间窜越(intersystem crossing, ISC)过程;而CBP为给体的器件则表现出ISC过程,且降温时ISC过程先减弱后增强.室温下两种器件MEL的高磁场部分都体现为三重态激子与电荷的猝灭,但在20 K下CBP为给体的器件还出现了三重态-三重态激子湮灭.两种完全相反的低磁场线型与m CBP和CBP不同的结构导致三重态激子能量的高低有关.低温下微观过程的改变是因为低温不利于RISC过程、ISC过程和能量损失等演化通道.此外,当m CBP:PO-T2T质量比从1∶4到1∶1再到4∶1时,器件中的RISC过程越来越强,这是由于器件更趋平衡有利于RISC过程的结果.当以两种激基复合物为主体掺入TBRb荧光客体材料,在m CBP:PO-T2T为主体的器件中得到了更高的外量子效率.本工作为制备高效率激基复合物发光器件提供了实验和理论参考.

离子交换时间对平面微透镜阵列的透镜元光学特性的影响

采用光刻离子交换工艺制作了半径不同的圆形孔径变折射率平面微透镜阵列,在离子交换过程中分6个时段取样,测量不同开孔大小的变折射率平面微透镜阵列的离子交换深度、宽度和透镜元的焦距、畸变、数值孔径,发现离子交换宽度和深度之比随着离子交换时间增长而减小,在z方向和r方向的离子平均扩散速率逐渐减小,且开孔半径小的变折射率平面微透镜阵列减小得更快;随着离子交换时间增长,两种孔径的变折射率平面微透镜阵列的焦距逐渐变短,且开孔半径小的焦距相对更短;不同开孔半径的变折射率平面微透镜阵列的数值孔径随着离子交换时间增长而变大,其畸变随着离子交换时间增长而减小。变折射率平面微透镜阵列的光学特性随离子交换时间而改变的规律,为不同光学系统中所需的变折射率平面微透镜阵列的制作提供参考。

利用多氟丙烯酸酯添加剂提升准二维钙钛矿发光二极管性能

准二维钙钛矿由于具有较大的激子结合能和高效的能量转移等优势,在发光二极管(light-emitting diodes,LED)中的应用前景被广泛看好。然而,准二维钙钛矿溶液加工成膜过程中易形成大量的低维相和表界面缺陷,引起严重的非辐射复合,成为限制发光二极管器件性能的瓶颈。在本工作中,通过在PEA2Cs2Pb3Br10钙钛矿前驱体中加入1,6-二(丙烯酰氧基)-2,2,3,3,4,4,5,5-八氟己烷(OFHDODA)小分子添加剂,将钙钛矿薄膜的荧光量子效率(Photoluminescence Quantum Yield,PLQY)从19.7%提升到了49.0%,发射波长从508 nm红移到511 nm。这主要归因于OFHDODA与钙钛矿之间的物理化学相互作用有效抑制了非辐射复合,一方面多氟结构与PEA+之间的氢键相互作用调控了结晶动力学,抑制了低维相的产生;另一方面酯基具有较强的路易斯碱性,钝化了表界面未饱和Pb2+缺陷。相应地,准二维钙钛矿LED的外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)从8.55%提高到了13.76%。这项工作为设计新型多功能小分子添加剂,抑制准二维钙钛矿中的非辐射复合损失提供了思路。

椭偏激光场中原子次序双电离的离子动量分布

利用海森伯势经典系综模型,研究了椭偏激光场中氩原子的次序双电离.结果发现,激光相位随机时,随着激光波长的增加,离子动量分布从800 nm时的六带结构逐渐转变成1600 nm时的八带结构.激光相位固定时,1600 nm激光场产生的离子动量分布呈现出十带结构.这些多带结构直接反映了椭偏场中电子的亚光周期电离动力学.随着激光相位的变化,离子动量谱的外部三带出现显著的移动.正是由于外部三带位置的相位依赖导致相位随机时离子动量谱的外部区域只能观测到一条带状分布.两电子电离时序分析发现,相位随机时,离子动量谱中的内带源于时间差为0.5个光周期的电离脉冲组合,而外带来源于时间差为1,2和3个光周期的电离脉冲的组合.对于800 nm中间的一个带,源于时间差为1.5和2.5个光周期的电离脉冲组合;对于1600 nm中间的两个带,一个源于时间差为1.5个光周期的电离脉冲组合,另一个源于时间差为2.5和3.5个光周期的电离脉冲组合.这些结果表明长波长和相位稳定的激光更容易观测到原子次序双电离的亚光周期动力学.

聚乙烯吡咯烷酮链段长度依赖的钙钛矿结晶动力学和电致发光研究

基于低温溶液工艺的钙钛矿发光二极管由于低成本,高色纯度,宽色域等优势受到广泛关注。然而,在溶液结晶成膜过程中,钙钛矿晶粒无规形核、快速生长,导致薄膜存在大量的针孔和缺陷,严重影响器件性能。本文通过原位荧光和结构表征技术证实,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)添加剂在特定的链段长度下,能优化调控钙钛矿结晶动力学,延缓晶粒生长速度,使得钙钛矿薄膜粗糙度由1.489 nm降低到0.954 nm,缺陷密度从1.55×10^(18)cm^(-3)降低至1.05×10^(18)cm^(-3)。相应地,薄膜荧光量子产率从16.9%提升到58.9%,器件外量子效率从8.55%提高到了18.00%。本文通过原位表征技术,全方位解析了添加剂分子结构对钙钛矿结晶动力学的调控机理,为添加剂分子的优化设计提供了直观依据。

激基复合物有机发光二极管中平衡载流子增强电荷转移态的反向系间窜越过程

电荷转移(charge transfer,CT^(1)和CT^(3))态的反向系间窜越(reverse inter-system crossing,RISC,CT^(1)←CT^(3))过程是提高激子利用率的有效途径,精准利用该过程对于制备高效率激基复合物型(exciplex-type)有机发光二极管(organic light-emitting diodes,OLEDs)具有重要科学价值和应用前景.基于m-MTDATA:Bphen的典型激基复合物由于其内部高的RISC速率而受到广泛关注.但到目前为止,在实验上仅从瞬态光致发光谱中推测存在该RISC过程,这不利于全面认识并运用该过程设计高性能的光电器件.本文通过精确调控发光层(x m-MTDATA:y Bphen,x,y为质量分数)中给体与受体的共混比例和流过器件的载流子密度,获得了载流子平衡与非平衡的激基复合物器件,采用特征磁电导(magneto-conductance,MC)响应曲线可视化了平衡激基复合物器件中CT态间的RISC过程,且相比于非平衡器件,该器件具有更高的电致发光效率.本工作不仅能加深对于激基复合物器件中给体/受体共混比例影响载流子平衡的理解,还为最优利用RISC过程制备高效率光电器件提供理论依据和实验基础.

基于四瓣高斯飞秒激光的多丝阵列产生与调控

基于亥姆霍兹波动方程和非线性传输波动方程,模拟了四瓣高斯飞秒激光在空气中线性传输和非线性传输的光强空间分布,以期获得规则的多丝阵列稳定传输。研究结果表明,当初始入射激光功率相对较强时,基于四瓣高斯飞秒激光光束可获得规则的多丝阵列产生。通过改变初始束腰半径和光束阶数,实现对光丝阵列间距的调控。光丝阵列间距大于背景能量池尺寸时,光丝阵列将稳定传输且间距保持不变;小于背景能量池尺寸时,多丝相互融合进而形成稳定的单丝。当初始入射激光功率相对较弱且大于自聚焦阈值功率时,将会出现多次自聚焦现象,最终形成稳定的单丝传输。该研究提供了一种产生二维规则飞秒激光光丝阵列的方法,将为基于飞秒激光多丝阵列的实际应用,如太赫兹波增强、空气激光增强、遥感探测、微波通道以及微粒捕获等,提供理论依据。

激基复合物有机发光二极管中系间窜越和反向系间窜越过程的非单调电流依赖关系

激基复合物有机发光二极管(exciplex-based organic light-emitting diodes,EB-OLEDs)中自旋对态(spin-pair states)的系间窜越(intersystem crossing,ISC)和反向系间窜越(reverse ISC,RISC)是重要的自旋混合过程.它们通常展示正常的电流依赖关系,即随电流的增大而减弱.本文利用磁电致发光(magneto-electrolumine-scence,MEL)作为指纹式探测工具,在具有不同电荷平衡的EB-OLEDs中观察到多种电流依赖的ISC和RISC过程.它们有趣的表现为:随着器件注入电流增大,非平衡器件中电流依赖的MEL曲线呈现从正常ISC(1-25μA)向反常ISC(25-200μA)过程的转换,而平衡器件中电流依赖的MEL曲线则展示从正常ISC(1-5μA)→反常RISC(10-50μA)→正常RISC(50-150μA)→反常ISC(200-300μA)过程的转换.通过拟合和解析MEL曲线,发现非平衡和平衡器件中的ISC和RISC过程随着电流增大都先增强后减弱.这些丰富而有趣的转换可归因于增大电流时自旋对态增加的数量与其减短的寿命之间的竞争.此外,平衡器件中的RISC过程比非平衡器件中的更强,从而导致平衡器件的外量子效率比非平衡器件的更高.显然,本文不但加深了对EB-OLEDs中电流依赖的ISC和RISC过程的理解,还为设计制作高效率EB-OLEDs提供了清晰的器件物理思路.

基于非对称互注入WRC-FPLDs的波长可调谐的混沌同步

提出了基于两个非对称互注入弱谐振腔法布里-珀罗激光器(weak-resonant-cavity Fabry-Perot laser diodes,WRC-FPLDs)的波长可调谐的混沌同步系统,实验研究了系统的同步性能.结果表明,在一定的非对称注入强度和频率失谐条件下,两个互注入WRC-FPLDs的对应模式之间能实现高质量的超前-滞后混沌同步,最大互相关系数Cmax可达0.90以上.增加两个互注入激光器之间的非对称注入程度并采用适当的负频率失谐有助于提升系统的同步性能.

利用热激子反向系间窜越的特征磁响应探测界面型OLED中的Dexter能量传递过程

基于界面激基复合物作为主体的主-客体型有机发光二极管(organic light emitting diodes,OLEDs)的外量子效率已经突破36%,但其主-客体间能量传递过程还有待深入研究.本文提出一种基于客体Rubrene热激子反向系间窜越(T_(2,Rub)→S_(1,Rub))的特征磁响应探测界面激基复合物型OLEDs中能量传递过程的实验策略.具体通过表征主、客体材料的光物理特性,证明了主-客体单重态激子间的F?rster共振能量传递过程;通过研究界面激基复合物型器件的磁电致发光响应曲线,可视化了主-客体三重态激子间的Dexter能量传递过程,且该过程有效发生对于器件电致发光具有不可忽视的促进作用.本研究不仅为探测OLEDs中Dexter能量传递过程提供切实可行的理论方法,还为进一步设计高性能热激子型OLEDs提供新的实验参考.

电子注入层迁移率对Rubrene/C60基发光二极管半带隙开启电压的调控

半带隙开启特性是有机发光二极管独有的一种光电属性,但电子注入层(electron injection layer,EIL)如何影响半带隙开启的研究还未见报道.本文选取电子迁移率按数量级依次降低的EIL材料制备了三组控制器件,发现随EIL电子迁移率的依次降低,器件的开启电压分别呈现出半带隙(half-band-gap)开启、亚带隙(sub-band-gap)开启和正常开启的物理现象.器件发光的特征磁效应(magneto-electroluminescence,MEL)结果显示:EIL电子迁移率高的器件实现半带隙开启主要归因于三重态-三重态湮灭(triplet-triplet annihilation,TTA,T1,Rb+T_(1,Rb)→S_(1,Rb)+S_(0))过程有效降低了器件的开启电压(1.1 V).但在EIL电子迁移率较低的器件中,为注入更多电子需要在低电子迁移率的EIL上施加更高的电压,从而抵消了TTA过程降低的开启电压,因此随着EIL电子迁移率依次降低其开启电压表现为亚带隙开启(2.1 V)和正常开启(4.1 V).此外,高EIL电子迁移率的器件中TTA更强,亮度更高.这是由于器件中形成了更多数量的三重激基复合物EX3态并通过Dexter能量传递过程形成T_(1,Rb).本工作进一步加深了对Rubrene/C60型器件中电子迁移率对开启电压影响的理解以及相关物理微观机制的认识.

纯红荧烯器件中极化子对的系间窜越与高能三重态激子的反向系间窜越过程“消失”的原因

有机发光二极管(OLEDs)中电致发光磁效应(MEL)是一种能够揭示多种激发态微观过程的探测工具.最新研究成果(Tang X T,Pan R H,Zhao X,Jia W Y,Wang Y,Ma C H 2020 Adv.Funct.Mater.5765)表明:将低浓度的红荧烯(Rubrene)分子掺杂在一定主体作为发光层的OLEDs中,存在一种高能三重态激子(T_(2,Rub))的反向系间窜越过程(HL-RISC,S_(1,Rub)←T_(2,Rub)).但本文发现:以Rubrene作为纯发光层且其两边的载流子传输层也不存在T_(2,Rub)激子的能量损失通道的OLEDs中,在室温下只观察到单重态激子(S_(1))的分裂过程(S_(1)+S_(0)→T_(1)+T_(1)),却没能观察到该T_(2,Rub)激子的HL-RISC过程;而且,最基本的因电子和空穴在纯Rubrene发光层中直接注入形成极化子对(polaron-pair,PP_(1)和PP_(3))的系间窜越过程(ISC,PP_(1)→PP_(3))也没有被观察到.为了揭示该反常现象背后的微观物理机制,以纯Rubrene分子和质量分数为5%的Rubrene掺杂主体作为发光层来制备器件,并对两种器件的MEL进行变温实验.对所得实验结果比对分析后发现:室温下PP态的ISC和T_(2,Rub)激子的HL-RISC产生的MEL正好完全相互抵消,这是采用MEL在纯Rubrene作为发光层的OLEDs中同时观察不到ISC和HL-RISC的物理原因,这种如此巧合的物理现象在文献中还未曾报道.

激基复合物与电致激基复合物共存体系中Dexter能量传递导致的负磁效率

因具有反向系间窜越过程(reverse intersystem crossing, RISC)在低成本就可实现高效率发光,激基复合物(exciplex)型有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLEDs)是目前的一个研究热点.其微观过程通常表现为极化子对的系间窜越(ISC)过程占主导,引起的磁电致发光(magneto-electroluminescence, MEL)效应和磁电导(magneto-conductance, MC)效应都是正值,且MEL幅值大于MC幅值;由于在一般电流(I)范围内存在线形关系EL∝η·I,对应的磁效率(magneto-efficiency, Mh)也是正值.本工作却在激基复合物与电致激基复合物(electroplex)共存的器件中发现:虽然在小电流下MEL值也大于MC值,但是电流增大后MEL值逐渐小于MC值,即Mh值由正变成负.通过对比该型器件与纯激基复合物型器件中不同的物理微观过程发现:激基复合物与电致激基复合物共存器件中存在从激基复合物到电致激基复合物的Dexter能量转移(Dexter energy transfer, DET)过程,此过程会增强电致激基复合物的RISC过程,且DET过程会随电流的增大而增强,导致器件在大电流下表现为RISC过程主导的负Mh.本工作有助于认识激基复合物型OLEDs中激发态间的相互作用规律,也为制作高效率发光器件提供了理论参考.

有机材料中激子裂变过程的演化模型

采用耦合的微分方程组对具有激子裂变特性的红荧烯材料的瞬态发光衰减过程进行理论拟合.其中一组微分方程组来源于传统的两步三状态演化模型,另一组则来源于新确立的三步四状态演化模型.通过方程组的迭代运算可以反映材料中单重态激子裂变过程的动态变化.拟合结果显示,四状态模型对激子裂变过程的描述较之三状态模型更加合理,拟合曲线与实验曲线符合度更好.另外,对曲线拟合所用的速率参数随温度的变化进行了指数拟合,进而得到红荧烯材料激子裂变过程的能量差值.拟合结果同样显示,相较于三状态模型,四状态模型拟合得到的能量差更接近准确值.