光电子器件中有机软物质共轭分子激发态的形成、迁移及解离过程的研究

Characteristics of formation, migration and dissociation of an excitation state of conjugated macromolecular organic soft matter are the key in determination of its optical, electronic and optoelectronic properties. This was affected not only by the chemical structures of the materials, but also by the order of aggregation structures and molecular orientations. Current proposal will investigate the excitation processes, i.e. formation, migration and dissociation, in linearly or discotic conjugated macromolecules and the influences of their aggregation structure on the processes. The investigations will includes: (1) the photophysical properties of the target materials and the molecular excitation process of single molecule, while environmental conditions such as dispersion density and polarity of the solvents will be considered; molecular excitation process: formation and dissociation of charge transfer state in mixed or doped systems; (2) the conditions and the influencing factors in aggregation formation and structural reorganization; the spatial distribution of ordered structures within the materials; molecular excitation formation, migration and dissociation processes within different phases; (3) the conditions to prepare films with anisotropic molecular aligned structure via liquid crystalline phase; molecular excitation formation, migration and dissociation processes at the interfaces; (4) design, fabricate and optimize optoelectronic devices, and explore novel scientific methods to solve key problems and optimize device structures.

软物质中有机大分子共轭体系激发态的形成、迁移及解离过程对有机分子材料的光学、电学、及光电转化性能起着至关重要的作用，该过程不仅与其化学结构，还与材料微观、亚微观到宏观尺度的聚集态有序性、分子间排列和分子取向方式密切相关。 本项目将研究基于线性和盘状两类共轭有机大分子材料的分子激发态的形成、迁移和解离过程，以及材料中各类聚集态结构对分子激发态过程的影响。首先研究目标材料光物理性质及单分子激发态过程，以及分散密度及环境极性条件对该过程的影响；研究混合体系的激发过程中电荷转移复合物的形成及其电荷解离过程；分别研究不同目标材料的各种聚集态结构的形成、重组条件和影响因素；研究结构中的有序性的分布；利用液晶相的形成控制分子取向，以获得具有各向异性结构的薄膜，并研究在不同取向界面对激发态过程的影响。在此基础上，优化设计光电子器件的结构及制备条件，探索新的科学方法去解决新型器件制备中的瓶颈问题。

制备了一系列D-A-D、D-A和D-n-A结构分子材料：氮杂苯并菲二聚体、苯并菲-苝二聚体等均为国际上首次报道。该类材料的分子取向可控，易于调控或优化光电性能；同时具有分之内电荷转移或者光诱导电子转移等光物理性质，可应用于新型光电子器件研究。在制备过程中，项目组人员还发现了“类 Scholl反应”的化学反应，该反应可一步制备出不对称盘状苯并菲的重要中间体 (单羟基苯并菲)，反应具有普适性，适用于不同链长结构。类 Scholl反应的产率可高达65%，较之国际期刊已有的一步法合成的产率提高了160%，解决了合成难点，为实现工业化批量生产带来了希望。. 用阶梯温度调控方法，获得一系列电子或空穴型传输的盘状有机材料在单基片表面的大面积垂面 (face-on) 分子取向。以电子型六取代蒽醌衍生物为代表，分子取向可以显著提高光吸收截面，同时，使载流子迁移率提高了2-3个数量级。单基片表面的大面积垂面分子取向排列稳定调控成功的实例在国际上为数不多，本研究具有特色。. 研究了双给体聚合物（PBDB-T:PBDTTPD）与非富勒烯受体的三元共混体系中的给受体对的激发与解离发现，PBDB-T:PBDTTPD间可形成合金并产生连续变化的能级结构，致使器件的开路电压随着给体的混合比例呈线性提升；同时，通过荧光猝灭发现双给体间存在光诱导电子转移，这可有效促进给受体界面处的电荷解离，并通过计算激子产生速率和电荷解离几率得以证实。加之比例调控的传输平衡，可使得器件性能全方位改善。. 针对钙钛矿器件中普遍存在奇异电流不稳定性的研究发现：钙钛矿中的离子是导致器件性能衰退的主因。实验研究证明：钙钛矿中存在大量的离子，并在钙钛矿薄膜界面产生大量的电荷累积。我们率先提出了，随偏压和时间变化的电荷累积过程和离子的移动，是器件内部产生电流回滞的主因，而非铁电性。研究证明：回滞问题可通过控制晶体生长条件改善。