金纳米粒子增强光电器件性能研究：光学效应与电学效应的综合应用

The performance of optoelectric device can be effectively enhanced through optical effect and electrical effect of metal nanoparticles, which is a research hotspot in recent years. This project intends to use the comprehensive optical and electrical effect of metal nanoparticles, hoping to deliver improved device integrated performance. We focus on two of the most important scientific problems in metal nanoparticles based application in the optoelectric device: the local surface plasmon resonance effect for the emission and absorption enhancement and the role of metal nanoparticles surface barrier on the work function and charge capture. In light-emitting device, the area of nanoparticles based emission enhancement can effectively overlap with light emitting profile to improve the emission efficiency, which based on the imbalance of organic conjugated molecule carrier transmission and exciton distribution inhomogeneity; and the interaction between nanoparticle and buffer layer can reduce injection barrier and improve current density. In photodetector, the area of nanoparticle based absorption enhancement can effectively overlap with the main absorption area in device to improve light absorption, which based on Beer's law of the light absorption; and the dark current can be lowered by nanoparticle based carrier capture. The enhancement mechanism of metal nanoparticles is summarized on the basis of exploring their further comprehensive application in optoelectronic devices.

金属纳米粒子可以通过光学效应和电学效应有效的增强光电器件性能，是近年来研究的热点。本项目拟利用金属纳米粒子光学和电学的综合效应，针对金属纳米粒子光电器件应用中两个重要的科学问题，即局域表面等离子共振效应对光吸收发射的增强和金属纳米粒子表面势垒在功函及电荷捕获中的作用，在发光器件中（P-PPV、superyellow为活性层），利用有机共轭分子载流子传输的不平衡性和激子分布的不均匀性，使光发射主区域与纳米粒子发射增强区实现有效的重叠提高激子利用率，利用纳米粒子与缓冲层的相互作用降低注入势垒提高电流密度；在光响应器件中（PTB7为活性层），利用光吸收的逐步衰减特性，使光吸收主区域与纳米粒子吸收增强区有效重叠提高光吸收，利用纳米粒子的载流子捕获降低暗电流，希望实现器件综合性能的有效提升。并在总结金属纳米粒子增强机理、增强规律和增强限度的基础上，探索其进一步在光电器件中的综合应用。

以金属纳米粒子光学电学效应为性能提升的主要手段，理论模拟、原位多维光谱分析技术与器件应用相结合，深入的阐明了有机光电材料与器件的工作机制，并探索了新的应用，取得了若干国内外同行认同的原创性研究成果。项目执行期间共发表SCI论文32篇，其中第一作者和通讯作者论文21篇，中国专利1项，在国际国内会议上报告8次。项目的研究进展主要分为三个方面：金属纳米粒子远场效应增强光电器件性能；金属纳米粒子电学效应增强有机聚合物光探测器性能；金属纳米粒子光电应用扩展。金属纳米粒子的局域表面等离子体共振效应，虽然具有较高的荧光增强比例，但是作用范围小（1-10nm）、易发生荧光猝灭，在光电器件中重现性差、应用严重受限（ACS Appl. Mater. Interfaces，2014, 6, 11001）。我们在国际上首次提出表面等离子体远场作用机制，其荧光增强作用来源于光经过金属反射的相干光与原有光的叠加作用所引起的整体介电变化，作用范围80-120nm，与光电器件厚度具有良好的匹配。由于作用距离较远，避免了猝灭、纳米粒子团聚等问题的影响，具有实验重现性好、光色适用范围广（红绿蓝白光同时增强）、纳米粒子结构简单等优点。（J. Mater. Chem. C，2013, 1, 7020；Part. Part. Syst. Charact. 2015, 32, 686； Nano. Res. 2018, 11, 151;Part. Part. Syst. Charact. 2018，DOI：10.1002/ppsc.201800077）。该机理物理图像清晰，实验现象明确，特别适合器件应用，系列工作发表后，得到了国内外多个研究小组的跟进，并将远场效应作为主要的器件增强机理用于论文标题及机理证明。电学效应方面，申请人深入研究了金属纳米粒子电荷捕获机制，阐明了电荷存储效应与光辐照的关系，在国际上首次提出金属纳米粒子光致电荷存储新机制，在有机发光二极管、有机光探测器方面有很好的应用前景（J. Phys. Chem. C 2016, 120, 1847，J. Mater. Chem. C 2015, 3, 9928，Phys. Chem. Chem. Phys. 2017, 19, 17653,ACS PHOTONICS 2018， 5 ， 4650-4659），其中Phys. Chem. Chem.