有機(jī)發(fā)光材料弱場(chǎng)磁場(chǎng)效應(yīng)的理論研究.pdf

1、有機(jī)半導(dǎo)體材料質(zhì)量輕、柔韌性強(qiáng)，材料來源廣泛，分子結(jié)構(gòu)易于控制，容易形成大面積薄膜，是制作低成本電子器件優(yōu)先考慮的材料，在有機(jī)發(fā)光器件中獲得了廣泛的研究與應(yīng)用。有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料為非磁性材料，有機(jī)發(fā)光器件是由非磁性材料組成的，但施加外磁場(chǎng)可以使通過器件的電流和發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化，產(chǎn)生有機(jī)磁場(chǎng)效應(yīng)。一般地，可以用施加磁場(chǎng)前后器件電阻的相對(duì)變化率來表示這種效應(yīng)的強(qiáng)弱，稱為有機(jī)磁電阻。
　　自從發(fā)現(xiàn)了有機(jī)發(fā)光器件中存在磁場(chǎng)效應(yīng)以來，研究人

2、員對(duì)這種磁場(chǎng)效應(yīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作。實(shí)驗(yàn)研究表明，有機(jī)磁電阻在高磁場(chǎng)下趨近于一定的飽和值，在低磁場(chǎng)下呈現(xiàn)出一定的極大值或極小值。對(duì)于這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，理論研究工作者給出了很多不同的解釋。然而截至到現(xiàn)在，對(duì)這一現(xiàn)象的產(chǎn)生原因還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有機(jī)發(fā)光材料的磁場(chǎng)效應(yīng)和其中的載流子注入、復(fù)合、遷移、衰變等過程緊密相關(guān)，是這些過程產(chǎn)生的復(fù)雜磁效應(yīng)的綜合體現(xiàn)。但是不可否認(rèn)的是，這種效應(yīng)與載流子的跳躍遷移和自旋取向的變化有著密切的聯(lián)

3、系。
　　本文以有機(jī)電致發(fā)光器件為研究背景，主要基于載流子在有機(jī)半導(dǎo)體材料中的跳躍遷移過程及其自旋取向的變化，在量子理論的基礎(chǔ)上對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光材料中載流子遷移過程的磁場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行模擬，建立了一個(gè)有機(jī)磁電阻的計(jì)算模型，在0～1000mT的磁場(chǎng)范圍內(nèi)計(jì)算分析了有機(jī)磁電阻的特點(diǎn)及其形成原因。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)基于雙分子格點(diǎn)模型，用M-A方程描述電子的跳躍過程，用包含電子軌道運(yùn)動(dòng)、自旋運(yùn)動(dòng)和分子振動(dòng)及局域超精細(xì)作用

4、的哈密頓量描述電子的能級(jí)和自旋狀態(tài)，假定跳躍前后電子的自旋取向不變，跳躍電子與目標(biāo)位置的占據(jù)態(tài)電子自旋取向相反，研究分析電子在雙分子間可能的跳躍過程和跳躍頻率，通過跳躍頻率的相對(duì)變化得到有機(jī)磁電阻的表達(dá)式。
　　(2)考慮磁場(chǎng)對(duì)分子振動(dòng)頻率的影響，在與磁場(chǎng)垂直的平面極坐標(biāo)中，將薛定諤方程變換為合流超幾何方程，得到電子能級(jí)和波函數(shù)的精確解。研究表明，施加磁場(chǎng)后，多重能級(jí)簡(jiǎn)并被解除，磁場(chǎng)越強(qiáng)，中心能量越大，能級(jí)劈裂也越大，當(dāng)磁場(chǎng)滿足一

5、定條件時(shí)，導(dǎo)致相鄰能級(jí)間發(fā)生能量交疊。波函數(shù)的具體計(jì)算比較復(fù)雜，本文用距離平方的平均值代替基于波函數(shù)的復(fù)雜計(jì)算，給出了局域長(zhǎng)度的估算公式。可以看出，分子的等效振動(dòng)頻率隨磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增大，波函數(shù)的局域長(zhǎng)度相應(yīng)地減小，導(dǎo)致波函數(shù)的交疊程度降低。有機(jī)分子越大，其振動(dòng)頻率ω0就越小，這種影響就越顯著。
　　(3)對(duì)電子自旋和局域核自旋組成的復(fù)合自旋系統(tǒng)，將局域核自旋取為1/2，考慮外磁場(chǎng)和局域的超精細(xì)場(chǎng)對(duì)電子自旋的影響，得到電子的自旋劈裂

6、能級(jí)和狀態(tài)分布。在磁場(chǎng)作用前，若電子自旋和局域自旋方向相同，則電子的自旋狀態(tài)不隨時(shí)間變化;若電子自旋和局域自旋方向相反，則電子自旋狀態(tài)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，電子自旋能級(jí)產(chǎn)生劈裂。各劈裂能級(jí)上電子自旋態(tài)的分布幾率可以用三個(gè)幾率密度P1、P2和P3表示，P1+P2+2P3=1。
　　(4)將電子自旋和局域環(huán)境自旋看作一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，將電子跳離分子格點(diǎn)的過程看作一個(gè)退糾纏過程，用非糾纏終態(tài)下，退糾纏過程初態(tài)電子自旋態(tài)密度的平均值定義了一個(gè)退糾

7、纏過程參量η，并通過詳細(xì)推導(dǎo)得到η的一般表達(dá)式。η的大小表征退糾纏過程中糾纏作用的強(qiáng)弱，它隨時(shí)間的周期性變化受外磁場(chǎng)和超精細(xì)作用的調(diào)制，其平均值在低場(chǎng)區(qū)出現(xiàn)一個(gè)極小值，在高場(chǎng)區(qū)趨于飽和。超精細(xì)作用越強(qiáng)，低場(chǎng)極值對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)Bmin越大，η隨磁場(chǎng)趨于飽和的過程越平緩。
　　(5)考慮分子振動(dòng)、超精細(xì)作用、自旋能級(jí)劈裂、自旋反轉(zhuǎn)及電子和局域環(huán)境自旋的糾纏作用對(duì)電子跳躍過程和M-A跳躍頻率的影響，建立了有機(jī)磁電阻計(jì)算模型，計(jì)算并分析了有機(jī)

8、磁電阻的影響因素。計(jì)算結(jié)果表明，超精細(xì)作用強(qiáng)度影響低場(chǎng)磁電阻，分子振動(dòng)頻率通過局域長(zhǎng)度影響高場(chǎng)磁電阻。在低場(chǎng)區(qū)有機(jī)磁電阻存在一個(gè)極大值，磁電阻極大值對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值Bmax隨超精細(xì)作用強(qiáng)度的增大而減小。Bmax還與自旋反轉(zhuǎn)和糾纏作用有關(guān)，自旋反轉(zhuǎn)在低場(chǎng)區(qū)內(nèi)對(duì)有機(jī)磁電阻的影響較大，在高場(chǎng)區(qū)其影響逐漸減弱，直至消失。糾纏作用對(duì)有機(jī)磁電阻的影響體現(xiàn)在計(jì)算的整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)，在低場(chǎng)區(qū)，自旋糾纏作用是導(dǎo)致有機(jī)磁電阻低場(chǎng)極值的根本原因，在高場(chǎng)區(qū)，自旋糾纏