粘稠的有机半导体薄膜

有机发光二极管(OLED)和有机太阳能电池(OPV)等半导体器件中的无定形小分子薄膜通常被看作固体薄膜。但发表于最新一期Advanced Optical Materials上的研究结果表明,无定形态有机小分子薄膜更接近于半固体,或者说一种粘稠的液体。研究者通过分析电荷转移(CT)分子在晶态、无定形态及压缩的蒸镀薄膜中时间分辨光谱随时间的变化(见下图),证明薄膜中有足够的自由体积能够让小分子在变化的电场中发生可逆的转动和重排。这与分子量达到500以上的有机半导体分子在薄膜中运动受限的常识相悖。

时间分辨光谱和中频介电谱的研究表明,有机半导体薄膜中的取向极化发生在纳秒时间量级,比在室温溶液中长三个数量级以上,更接近于低温粘稠溶液中的情况。而当分子由强极性的CT态转换到弱极性的基态(S0)或局域激发态(LE)后,已经被极化的微环境可以保持上百微秒以上,直到所有分子因热运动变回无规排列。由于薄膜中的取向及去取向时间尺度分别与有机分子的单重态寿命和三重态寿命接近,激发态分子在薄膜中的激发态能级呈相对动态变化。

在半导体器件中,除了激子外,空穴极化子和电子极化子也同样会诱导周边分子取向极化,降低激子或极化子的CT态能级。因此,我们需要将分子与微环境的相互作用看作一个整体,从整体的角度去理解有机分子在光电器件中的表现。例如在热延迟荧光(TADF)分子中,那些在氧化态或还原态下有较大偶极矩的分子能有效诱导周边分子取向极化,使得随后形成的三重态激子最低单/三重激发态能差(ΔEST)降低,提高电光转换效率。而在器件中,CT分子不断被激化或氧化还原,会对周边分子施以一个变化的电场,起到微搅拌的作用。这一过程是否会对造成器件老化的光化学反应起到促进作用,相关研究正在进行中。

本工作由浙江大学高分子系的邓超博士、张李伟(研究生)、王丹博士、坪井泰住博士和张其胜博士共同完成,被本期AOM选为封面论文。作者感谢国家自然科学基金(51673164、51873183)和科技部重点研发专项(2016YFB0401004)的资助,感谢浙大高分子系高超课题组提供网络分析仪测试。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.201801644