局域磁场增强OLED发光效率的研究

This project proposed here aims to enhance the efficiency of an organic light emitting diode (OLED) by utilizing metal nanostructures to generate surface Plasmon polaritons (SPP) which have shown the possibility of generating high local magnetic fields. The efficiency of an OLED depends on the singlet/triplet ratio, whch is normally fixed at 1/3. This work will introduce a high local magnetic field, produced by the SPP, to enhance the intersystem crossing(ISC) between the singlet and triplet spin states to tune the ratio of singlets to triplets in the OLED, hence enhancing its efficiency. Combing theoretical and experimental research, this work will allow us to understand the SPP as a means to control spin interactions in an electrically operated device. In addition, this work will further clarify the relationship between the high local magnetic fields produced by the SPP and luminance characteristics of an OLED. Furthermore, this work will explore a physical mechanism and an efficient method to specially design a 2D/3D metal-organic nanostructure for improving the efficiency of an OLED. Finally, this work will propose a theory and method for a high efficient OLED by using the local magnetic fields produced by the SPP to influence the ratio of singlet/triplet in the OLED. This is an exciting and unique possibility that could open a new research field by allowing us to use a composite nanostructure as a means to produce a high efficient light-emitting device which is of great significance to promote the application of green lighting technology.

本研究课题提出采用特殊设计的金属/有机发光介质纳米结构激发表面等离子体（SPP）场诱导形成基于SPP局域增强效应的稳恒磁场，利用该磁场增强单/三激发态之间的系间跨越，实现OLED中单/三激发态的激子分配比例的调控，从而提升OLED发光效率的新思想和新理论。通过理论、模拟和实验研究，揭示SPP场增强效应对OLED中单/三激发态激子比例分配的影响规律，厘清OLED中SPP场与其发光特性之间的关系，探索通过特殊设计二维或三维金属/有机介质纳米复合结构提高OLED发光效率的物理机制和实现途径，建立基于SPP场增强调控技术的高效OLED的结构设计理论和方法。为新型高效OLED器件设计理论及其发光特性的研究提供一种新思路和新途径，对促进有机发光材料与器件发展，推动绿色照明技术应用有重要意义。

本研究课题提出采用特殊设计的金属/有机发光介质纳米结构激发表面等离子体（SPP）场诱导形成基于SPP局域磁场增强效应的稳恒磁场，利用该磁场增强单/三激发态之间的系间跨越，实现OLED中单/三激发态的激子分配比例的调控，从而提升OLED发光效率的新思想和新理论。我们已通过多种微纳结构进行了模拟仿真，并为实现磁增强效应提供了可能性。但对OLED中单/三激发态比例调控进而增强其效率需实现磁场的定向极化，这个方面我们还在探索中。不同厚度、不同材质的金属与介质的组合使界面接触方式不同，导致结层面分子间的相互作用与耦合效果不同，而界面不同的结构形式：如规则结构、非规则无序结构、周期或准周期结构等也将导致结层面中光子与自由电子、激子相互作用后界面物理化学性质的变化，直接影响电子－空穴的自旋耦合态。因此，优化异质结界面的物理化学结构和特性，找到纳微结构参数、光子、电子传输的最佳匹配条件，进行材料和器件的制备是本项目研究的另一个重点。在这方面的研究，我们已研究了改变OLED中的阴极的结构和等离子体表面处理时间来调制载流子的注入效率最终影响磁阻变化，和研究了铁磁材料和有机半导体材料的界面态等特性。另外，我们利用英国卢瑟福实验室的μ子自旋探测技术实验研究磁场对有机半导体材料中电子和空穴自旋态的影响规律和与牛津大学合作搭建弱磁场测量平台，这些技术对微观上研究SPP产生局域弱磁场对有机器件的作用将非常重要。目前，我们已建成有机光电子技术超净实验室，为有机自旋电子器件的研究提供了良好实验平台，我们将继续推动该项目的后续研究。