固態(tài)陰極射線發(fā)光的表征-物理學(xué)論文

1、固態(tài)陰極射線發(fā)光的表征-物理學(xué)論文        摘 要 固態(tài)陰極射線發(fā)光（SSCL）是一種全新的激發(fā)方式，是發(fā)光的一個(gè)分支.文章作者辨認(rèn)了固態(tài)陰極射線發(fā)光的本質(zhì)，證明了它的普適性.文章對(duì)固態(tài)陰極射線發(fā)光的本質(zhì)作了進(jìn)一步的 分析 ，分析了它的發(fā)光光譜及隨驅(qū)動(dòng)電壓提高時(shí)的變化 規(guī)律 ，證明了固態(tài)陰極射線激發(fā)既可引起激子發(fā)光，又可引起擴(kuò)展態(tài)發(fā)光，擴(kuò)展態(tài)的發(fā)光是激子離化后產(chǎn)生的 電子 -空穴的直接復(fù)合.文章作者還 研究 了固態(tài)陰極射線發(fā)光的瞬態(tài)特性及發(fā)光的衰減，證明了在它的發(fā)光波形中用傳統(tǒng)的位相 方法 已不能表示固態(tài)陰極

2、射線發(fā)光與激發(fā)電壓的工夫關(guān)系，并從它的兩個(gè)發(fā)光峰隨頻率變化的明顯差別提出了實(shí)測(cè)真實(shí)發(fā)光壽命的思路.? 中國(guó)關(guān)鍵詞 固態(tài)陰極射線發(fā)光，有機(jī)電致發(fā)光，激子，擴(kuò)展態(tài)? Abstract ： The character of solid state cathodoluminescence (SSCL), a new excitation mechanism of luminescence, has been identified and its universality demonstrated. The spectrum of SSCL and its change in behavior with

3、 the increase of driving voltage have been analyzed in detail. It is shown that SSCL includes the luminescence from exciton recombination and expanded state recombination. Under a high electric field, excitons dissociate to electrons and holes in expanded states, which results in luminescence from t

4、he expanded state recombination. The transient and decay characteristics of SSCL have also been investigated. It is concluded that the traditional phase method cannot be used to assess the temporal relationship between SSCL and the driving voltage. From the variation of SSCL with the excitation driv

5、ing frequency we propose a new method to measure the true luminescence lifetime. ? Keywords ：solid state cathodeluminescence(SSCL), organic electroluminescence, exciton, expanded state? 現(xiàn)代 信息 社會(huì) 使顯示技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全新的環(huán)境，平板顯示(FPD)是現(xiàn)代顯示技術(shù)的 發(fā)展 趨勢(shì).平板顯示器件種類(lèi)繁多，比較有代表性的有液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器（PDP）、電致發(fā)光顯示器件（ELD）和發(fā)光二極管（LED

6、）等.這些顯示器件或已經(jīng)占據(jù)大量市場(chǎng)份額，或?qū)⒁笈客度胂M(fèi)，但到 目前 為止，它們的顯示質(zhì)量還不能與傳統(tǒng)的陰極射線管（CRT）顯示相比.電致發(fā)光顯示被認(rèn)為是下一代理想的平板顯示技術(shù)之一，尤其是有機(jī)電致發(fā)光顯示，但有機(jī)器件的壽命和效率一直是困擾其 應(yīng)用 的棘手 問(wèn)題 ，因此還不能大批量地投入消費(fèi).在有機(jī)電致發(fā)光過(guò)程中，電子和空穴復(fù)合后，單線態(tài)和三線態(tài)同時(shí)產(chǎn)生，按照自旋統(tǒng)計(jì)原則，發(fā)光分子的單線態(tài)及三線態(tài)激子數(shù)之比是1:3，所以單線態(tài)的發(fā)光只是全部被激發(fā)的分子的1/4.一般單線態(tài)的輻射躍遷是答應(yīng)躍遷，而三線態(tài)的輻射躍遷是被禁戒的.這樣就只有1/4被激發(fā)的分子可以發(fā)光，所以一般認(rèn)為有機(jī)場(chǎng)致發(fā)光的效

7、率最大也不能超過(guò)光致發(fā)光的25.無(wú)機(jī)電致發(fā)光器件的藍(lán)色發(fā)光一直達(dá)不到適用化的要求，限制了其在彩色顯示方面的應(yīng)用，可以說(shuō)，藍(lán)色發(fā)光是目前無(wú)機(jī)器件的一個(gè)瓶頸，如果不能突破這個(gè)瓶頸，無(wú)機(jī)薄膜電致發(fā)光器件在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用將受到特別大的限制.? 在研究有機(jī)和無(wú)機(jī)電致發(fā)光顯示技術(shù)的同時(shí)，我們提出了固態(tài)陰極射線發(fā)光1,2，并證明了碰撞離化和注入復(fù)合兩種激發(fā)方式可以并存.其發(fā)光原理同真空陰極射線發(fā)光類(lèi)似，只是來(lái)自陰極的電子是在無(wú)機(jī)電子傳輸材料中而不是在真空中加速，這樣電子經(jīng)過(guò)加速后可以直接碰撞有機(jī)發(fā)光層產(chǎn)生發(fā)光，電子交出能量，數(shù)目不減.在混合激發(fā)中，這種激發(fā)后的電子連同倍增電子、傳導(dǎo)電子和注入的空穴復(fù)合，它的

8、發(fā)光亮度高于簡(jiǎn)樸的傳導(dǎo)電子復(fù)合的亮度， 理論 上效率高于有機(jī)電致發(fā)光的效率，同真空陰極射線（如場(chǎng)發(fā)射）相比，其激發(fā)電壓也大大降低.? 在固態(tài)陰極射線發(fā)光器件中，我們已經(jīng)分別從有機(jī)聚合物、小分子有機(jī)發(fā)光材料、有機(jī)磷光材料、稀土配合物上發(fā)現(xiàn)了它們的固態(tài)陰極射線發(fā)光，這證明了固態(tài)陰極射線發(fā)光的普適性.同時(shí)，用不同材料作為電子加速層時(shí)，在同種發(fā)光材料上也得到了同樣的結(jié)果.本文著重分析了固態(tài)陰極射線發(fā)光的光譜特征、其中的物理現(xiàn)象、它的波形特點(diǎn)以及兩個(gè)發(fā)光峰的衰減差異.? ?1 固態(tài)陰極射線發(fā)光(SSCL)的光譜特征? 1.1 有機(jī)小分子的固態(tài)陰極射線發(fā)光光譜? 我們最先是在ITO/SiO2/Alq3/S

9、iO2/Al結(jié)構(gòu)的器件中發(fā)現(xiàn)了類(lèi)陰極射線發(fā)光3，4.如圖1所示，在以小分子材料Alq3作為發(fā)光層，以SiO2層作為電子加速層的夾層結(jié)構(gòu)中，在交流電驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓比較低時(shí)，得到了517nm處的Alq3激子發(fā)光；而當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓比較高時(shí)，除了有激子發(fā)光外，還得到了藍(lán)色（457nm）的發(fā)光，此發(fā)光對(duì)應(yīng)于Alq3的LUMO能級(jí)到HOMO能級(jí)的直接輻射躍遷.在夾層結(jié)構(gòu)中，二氧化硅是n型半導(dǎo)體，幾乎不能傳輸空穴，器件中不會(huì)存在電極注入的空穴，并且Alq3的遷移率不高，在有機(jī)層Alq3內(nèi),積聚不出可以經(jīng)碰撞引起發(fā)光的電子能量，所以藍(lán)色的發(fā)光不是場(chǎng)致發(fā)光，其發(fā)光來(lái)源與傳統(tǒng)的有機(jī)器件的注入發(fā)光不同，而應(yīng)當(dāng)是類(lèi)陰

10、極射線發(fā)光.這時(shí)電極注入的電子、電極/二氧化硅界面處的束縛態(tài)電子以及缺陷上的電子等在電場(chǎng)的作用下被釋出并被加速，成為過(guò)熱電子后直接碰撞Alq3分子,完成發(fā)光.當(dāng)SiO2中電子的加速使電子能量變得充足高時(shí)，可以激發(fā)Alq3，把HOMO中的電子直接激發(fā)到導(dǎo)帶中，但由于電子和聲子相互作用很強(qiáng)，電子能量消耗，電子一般同Alq3內(nèi)的空穴形成激子，在比較高的電場(chǎng)下，激子有可能被解離，而出現(xiàn)Alq3的帶帶間復(fù)合，即HOMO上的空穴與LUMO上的電子之間的復(fù)合發(fā)光，這個(gè)能量與457nm處的發(fā)光峰吻合.伴著器件的驅(qū)動(dòng)電壓的提高，發(fā)光峰由517nm逐漸向457nm移動(dòng)（圖1），這說(shuō)明伴著電壓的增加，電子在二氧化硅

11、層中可以獲得更高的能量，激發(fā)增強(qiáng)，伴著電場(chǎng)的增強(qiáng)，在Alq3層中的激子解離變強(qiáng)，進(jìn)入LUMO中的電子增多，使得藍(lán)光逐漸增強(qiáng).? 1.2 有機(jī)聚合物的固態(tài)陰極射線發(fā)光光譜? 在同樣結(jié)構(gòu)的器件中，當(dāng)發(fā)光材料為有機(jī)聚合物MEH-PPV和C9-PPV時(shí)，我們也探測(cè)到了固態(tài)陰極射線發(fā)光.圖2為電子加速層是SiO2、發(fā)光層是MEH-PPV的固態(tài)陰極射線發(fā)光5.其中位于580 nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光是對(duì)應(yīng)著MEH-PPV的激子復(fù)合發(fā)光，而位于405 nm處的短波長(zhǎng)發(fā)光對(duì)應(yīng)于MEH-PPV的帶帶復(fù)合.此外，還出現(xiàn)了一新的發(fā)射，其波長(zhǎng)位于500 nm處.當(dāng)電子加速層為Si3N4時(shí)，我們也得到了相同的結(jié)果.? 在這種器

12、件中，在相同頻率和不同電壓的交流激發(fā)下，MEH-PPV的發(fā)光隨驅(qū)動(dòng)電壓的不同而變化，如圖3所示2，5.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)，只出現(xiàn)了MEH-PPV在580nm處的激子發(fā)射，并且它的發(fā)光強(qiáng)度伴著驅(qū)動(dòng)電壓的上升而增強(qiáng).當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)肯定值時(shí)，580nm的強(qiáng)度下降直至完全消失，同時(shí)，出現(xiàn)了短波長(zhǎng)405nm的發(fā)射，其發(fā)光強(qiáng)度伴著驅(qū)動(dòng)電壓的增大先增大，然后降低，而后連續(xù)增大，同時(shí)還出現(xiàn)了另一個(gè)波峰位于500nm的發(fā)射，并且其發(fā)光強(qiáng)度伴著驅(qū)動(dòng)電壓的增大一直增強(qiáng).? 在以SiO2 為加速層的器件中，過(guò)熱電子的能量可以達(dá)到10100eV以上6，這些高能量的過(guò)熱電子碰撞激發(fā)有機(jī)發(fā)光層，導(dǎo)致有機(jī)發(fā)光材料的發(fā)光，這不同

13、于傳統(tǒng)有機(jī)材料的注入發(fā)光.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)，在較低的電場(chǎng)作用下，碰撞激發(fā)出的電子和空穴通過(guò)庫(kù)侖相互作用形成Frenkel激子而發(fā)光，這種情況和有機(jī)材料的光致發(fā)光相似.在肯定的電壓范圍內(nèi)，伴著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，過(guò)熱電子的能量增大和數(shù)目增多，使得有機(jī)材料碰撞激發(fā)后形成激子的速率增大和數(shù)目增多，因此激子的發(fā)光增強(qiáng).但伴著驅(qū)動(dòng)電壓的連續(xù)增大，導(dǎo)致有機(jī)材料上的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)，使得碰撞激發(fā)后形成的激子發(fā)生離化，這時(shí)分，激子復(fù)合的速率小于激子離化的速率，因此長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)光減弱.電子被離化到LUMO能級(jí)，由于在聚合物材料中電子的遷移率比較小，因此在電場(chǎng)的作用下，電子向電極方向的遷移較慢，另外，SiO2的導(dǎo)帶與MEH-PPV的LUMO之間勢(shì)壘較大，電子很難從電極漏出，因此離化后的電子被限制在有機(jī)層中，極輕易同HOMO能級(jí)的空穴發(fā)生復(fù)合，完成帶帶復(fù)合，產(chǎn)生短波長(zhǎng)405nm的擴(kuò)展態(tài)發(fā)光.另一方面，伴著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，過(guò)熱電子的能量也隨之增加，過(guò)熱電子可以直接碰撞激發(fā)有機(jī)材料，完成短波長(zhǎng)的發(fā)光,因此造成了短波長(zhǎng)發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電壓的上升而飛快增強(qiáng).但伴著驅(qū)動(dòng)電壓的進(jìn)一步增強(qiáng)，短波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度反而下降，出現(xiàn)了峰值位于500nm處的發(fā)射，我們認(rèn)為，這來(lái)源于電荷轉(zhuǎn)移激子的發(fā)光.電荷轉(zhuǎn)移激子也是中性的，移動(dòng)時(shí)將正負(fù)電荷兩個(gè)