光致发光和电致发光的基础知识

光致发光和电致发光的基础知识1第一页，共五十四页，2022年，8月28日主要内容第二章：光致发光及电致发光的基础知识

基础光物理1

有机电致发光和有机半导体的基本原理22第二页，共五十四页，2022年，8月28日主要知识要点*基态与激发态吸收与发射*荧光与磷光激基复合物与激基缔合物电荷转移基础光物理3第三页，共五十四页，2022年，8月28日基态（groudstate）与激发态（excitedstate）基态：指分子的稳定态，即能量最低态。基态分子中的电子排布遵从构造原理，即能量最低原理、Pauli不相容原理、Hund规则激发态：指分子的一种不稳定状态，其能量相对较高。激发态分子中的电子排布不完全遵从构造原理基础光物理4第四页，共五十四页，2022年，8月28日S0T1S1hνhνS0：基态（groundstate）S1：第一激发单重态（thelowestexcitedsingletstate）——自旋方向不变T1：第一激发三重态（thelowestexcitedtripletstate）——自旋方向改变图1：电子跃迁过程基础光物理—基态与激发态S05第五页，共五十四页，2022年，8月28日激发态与基态相比构型上，键级下降，键长增加和键能减小一般情况下，共轭性不好图2：常见的单重态和三重态势能相对位置基础光物理—基态与激发态6第六页，共五十四页，2022年，8月28日吸收（absorption）与发射（emission）基础光物理吸收：分子的激发需要吸收一定的能量，吸收能量后，分子就处于激发态发射：通过释放光子而从高能激发态失活到低能基态的过程，是光吸收的逆过程，又称辐射跃迁非辐射跃迁：通过热辐射等其它方式而从高能激发态失活到低能基态的过程7第七页，共五十四页，2022年，8月28日荧光（Fluorescence）与磷光（Phosphorescence）荧光与磷光产生的光物理过程激发态分子的失能过程荧光光谱分析和影响荧光的主要因素磷光光谱分析和影响磷光的主要因素基础光物理8第八页，共五十四页，2022年，8月28日荧光产生的光物理过程基础光物理—荧光和磷光产生的光物理过程图3：荧光发射示意图光吸收（A）振动弛豫（VR）内转换（IC）荧光发射（F）S0S112349第九页，共五十四页，2022年，8月28日磷光产生的光物理过程图4：磷光发射示意图S0S1T11234光吸收（A）振动弛豫（VR）系间窜越（ISC）磷光发射（P）基础光物理—荧光和磷光产生的光物理过程10第十页，共五十四页，2022年，8月28日荧光和磷光本质区别图4：磷光发射示意图S0S1T11234基础光物理—荧光和磷光产生的光物理过程图3：荧光发射示意图S0S1123411第十一页，共五十四页，2022年，8月28日激发态分子的失能过程(去活化)振动弛豫

是指在液相或压力足够高的气相中，处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子，从而从高振动级层失活至低振动能级的过程，属于非辐射跃迁过程内转换是指相同多重度的分子，如果较高电子能级的低振动能级与较低电子能级的高振动能级相重叠时，则电子可在重叠的能级之间通过振动耦合产生无辐射跃迁，如S2→S1和T2→T1的跃迁系间窜越

是指不同多重态分子间的无辐射跃迁，例如S1→T1的跃迁。通常是电子由S1较低振动能级转移至T1较高振动能级。有时，通过热激发有可能发生T1→S1，然后由S1发生荧光，这是产生延迟荧光的机理基础光物理振动弛豫、内转换和系间窜越都属于非辐射跃迁过程12第十二页，共五十四页，2022年，8月28日激发态分子的失能过程(去活化)外转换

是指受激分子与溶剂或其它溶质分子相互作用发生能量转换使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程，是一个分子间的过程荧光发射（辐射跃迁）

是指处于S1的电子跃迁至基态各振动能级时，得到最大波长为λ的荧光。不论电子开始被激发至什么高能级，最终将只发射出波长为λ的荧光，荧光的产生在10-7-10-9s内完成基础光物理13第十三页，共五十四页，2022年，8月28日荧光淬灭：是指荧光物质与其它溶剂分子或溶质分子相互作

用引起荧光强度降低的现象，引起荧光淬灭原因有：碰撞淬灭

荧光分子受激后，与淬灭剂分子碰撞而无辐射去活回基态的过程。温度升高，碰撞淬灭效率增加静态淬灭

荧光分子与淬灭剂生成非荧光的复合物。温度升高，静态淬灭效率降低三重态淬灭

分子由于系间窜越，由单重态跃迁到三重态，转入三重态的分子在常温下不发光，就是由于它们与其它分子的碰撞中消耗能量而使荧光淬灭电子转移反应的淬灭某些淬灭剂分子与荧光分子相互作用时，发生了电子转移反应荧光物质的自淬灭在浓度较高的荧光物质溶液中，单重激发态分子在产生荧光发射前与未激发的荧光物质碰撞而引起的自淬灭基础光物理—激发态的失能过程14第十四页，共五十四页，2022年，8月28日返回碰撞淬灭F0/F和τ0/τ随着淬灭剂浓度的增加而增加，静态淬灭τ0/τ不随淬灭剂浓度的变化碰撞淬灭F0/F和τ0/τ随着温度的增加而增加，静态淬灭F0/F和τ0/τ随着温度的增加而降低碰撞淬灭与静态淬灭的判定依据基础光物理—激发态的失能过程15第十五页，共五十四页，2022年，8月28日荧光光谱分析基础光物理——荧光光谱分析荧光是指基态分子受到激发后，跃迁到能量较高的能级，再从S1态跃迁到基态所产生的光辐射（S1S0)荧光产生必须具备两个条件：分子的激发态和基态的能量差必须与激发光频率相适应吸收激发能量之后，分子必须具有一定的荧光量子效率

荧光主要参数：荧光效率(ϕ)、荧光强度(I)、荧光寿命(τ)、最大发射波长(λ)

荧光寿命：分子荧光从最大亮度I衰减为I/2所用的时间。16第十六页，共五十四页，2022年，8月28日荧光激发光谱与发射光谱激发光谱：改变激发波长，测量在最大发射波长处荧光强度的变化，激发波长对荧光强度作图可得到激发光谱。发射光谱：发射光谱即荧光光谱。以一定波长和强度的激发光辐照荧光物质，在不同波长处产生不同强度的荧光，荧光强度对其波长作图可得荧光发射光谱。不同物质具有不同的特征发射峰，因而使用荧光发射光谱可用于鉴别荧光物质。激发光谱与发射光谱的关系与激发(或吸收)波长相比，发射波长更长，即产生所谓Stokes位移。荧光光谱形状与激发波长无关。基础光物理——荧光光谱分析17第十七页，共五十四页，2022年，8月28日文献中化合物的激发发射光谱18第十八页，共五十四页，2022年，8月28日文献中化合物的吸收和发射光谱19第十九页，共五十四页，2022年，8月28日影响荧光的主要因素基础光物理——影响荧光的主要因素共轭效应共轭效应大，最大激发峰和最大发射峰会发生红移分子的刚性结构刚性强有利于电子从高能态向低能态跃迁产生光辐射取代基效应给电子基团，如-OH、-OR、-NH2、-NR2等，使荧光增强吸电子基团，如-COOH、-NO、-C=O、卤素等，减弱甚至会猝灭荧光重原子效应

在重原子中，能级之间的交叉现象比较严重，因此容易发生自旋轨道耦合，增加了由单重态转化为三重态的概率。如卤素取代基随原子序数的增加而荧光降低。溶剂、温度和溶液pH等对荧光光谱也有影响20第二十页，共五十四页，2022年，8月28日磷光光谱分析磷光：基态分子受激后，跃迁到能量较高的能级，再从T1态跃迁回基态所产生的光辐射（T1S0)磷光主要参数：量子效率、磷光强度、磷光寿命、最大发射波长磷光强度:IP=2.3I0Plc=Kc式中IP-磷光强度，P-磷光效率，I0-激发光的强度，-磷光物质的摩尔吸收系数，l-试样池的光程，c-磷光物质的浓度基础光物理—磷光光谱分析21第二十一页，共五十四页，2022年，8月28日磷光光谱分析随着温度降低，分子热运动速率减慢，磷光逐渐增强。低温磷光：溶剂要求容易提纯且在分析波长内无强吸收和发射；低温下能形成具有足够粘度的透明刚性玻璃体，常用的溶剂EPA（乙醇：异戊烷：乙醚=2:2:5）。低温磷光的测试在液氮条件下完成。室温磷光：1974年克服了低温磷光所受到实验装置和溶剂的限制。基础光物理—磷光光谱分析22第二十二页，共五十四页，2022年，8月28日磷光光谱分析室温磷光的主要测试方法固体基质：在室温下以固体基质(如纤维素等)吸附磷光体，可增加分子刚性、减少三重态猝灭等非辐射跃迁，从而提高磷光量子效率。重原子效应：使用含有重原子的溶剂(碘乙烷、溴乙烷)或在磷光物质中引入含有重原子的取代基，提高磷光物质的磷光强度，称为重原子效应。前者为外部重原子效应，后者为内部重原子效应。机理是重原子的高核电荷使得磷光分子的电子能级交错，容易引起或增强磷光分子的自旋-轨道偶合作用，从而使S1→T1的系间窜跃概率增大，进而增大磷光效率。胶束增稳：利用表面活性剂在临界浓度形成胶束，改变磷光体的微环境、增加定向约束力，从而减小内转换和碰撞等去活化的几率，提高三重态的稳定性。基础光物理—磷光光谱分析23第二十三页，共五十四页，2022年，8月28日文献中化合物的低温磷光光谱基础光物理—磷光光谱分析返回24第二十四页，共五十四页，2022年，8月28日激基复合物和激基缔合物当两个分子共同作用发出一个光子时，我们称这种双分子复合体为激基复合物；如果两个分子时相同的，则可以称之为激基缔合物特点：1.分子间有一定的比例关系

2.激基复合物在基态时相互作用较激发态要小得多基础光物理判定依据：1.在光谱上观察到一个不同于任何单组元的发射带

2.发射带的强度对样品浓度有较大的依赖关系25第二十五页，共五十四页，2022年，8月28日图2.1.15激基缔合物的形成及轨道相互作用示意图基础光物理—激基复合物与激基缔合物26第二十六页，共五十四页，2022年，8月28日基础光物理—激基复合物与激基缔合物27第二十七页，共五十四页，2022年，8月28日激基复合物的形成也强烈地依赖于至少其中一种物质的浓度基础光物理—激基复合物与激基缔合物28第二十八页，共五十四页，2022年，8月28日如果将两个荧光发色团用非共轭的化学键连接在一起，当两个发色团间距离合适时也可以形成激基复合物(激基缔合物)，这类物质被称作分子内激基复(缔)合物。基础光物理—激基复合物与激基缔合物返回29第二十九页，共五十四页，2022年，8月28日基础光物理—电荷转移

电荷转移必定有给体（D）和受体（A）两部分存在，

分子内电荷转移是指D和A存在于同一个分子中，如果在分子间存在合适的结构和能量关系，也可以发生电荷转移过程

因此，电荷转移分为分子内电荷转移和分子间电荷转移30第三十页，共五十四页，2022年，8月28日基础光物理—电荷转移分子内电荷转移31第三十一页，共五十四页，2022年，8月28日基础光物理—电荷转移分子内电荷转移32第三十二页，共五十四页，2022年，8月28日基础光物理—电荷转移分子间电荷转移与激基复合物类似，主要与给体的电离能大小和溶剂极性有关33第三十三页，共五十四页，2022年，8月28日荧光与磷光产生的光物理过程影响荧光的主要因素了解荧光光谱与磷光光谱分析本小节重点知识回顾基础光物理34第三十四页，共五十四页，2022年，8月28日主要知识要点有机电致发光和有机半导体的基本原理无机半导体的能带和载流子有机材料中的能带和载流子直流注入式有机电致发光能量传递机理35第三十五页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子典型的无机晶体半导体的结构36第三十六页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子电子共有化运动37第三十七页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子无机半导体的能带模型价带导带禁带价带导带禁带38第三十八页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子导体、半导体和绝缘体的能带模型半满带满带禁带价带导带禁带禁带宽度导体半导体绝缘体价带导带禁带价带禁带导带t≠0Kt=0K39第三十九页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子无机半导体的载流子——电子（electron）和空穴（hole)价带导带导带价带40第四十页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子

本征半导体

热平衡时，本征半导体内的两种载流子——电子和空穴浓度相同，如全部由Si原子组成的半导体价带导带禁带t=0K禁带导带t≠0K价带41第四十一页，共五十四页，2022年，8月28日无机半导体的能带和载流子无机半导体的杂质施主杂质（N型杂质）

能够施放电子而产生导电电子形成正电中心N型半导体

施主的掺入会导致导带电子的增加，增加导电能力，主要靠导带电子导电的半导体受主杂质（P型杂质）

能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心P型半导体

主要通过空穴导电的半导体返回42第四十二页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子量子力学相关概念原子轨道

原子中每个电子的运动状态都可以用一个单电子的波函数ϕ描述电子云

电子具有波粒二象性，不可能把一个电子的位置和能量同时准确的确定，只能知道电子在某一位置出现的概率。可以把电子看作是一团带负电荷的“云”。在高概率区云层较厚，低概率区域云层较薄，用ϕ2描述yyyxz1s轨道2s轨道2px轨道2py轨道2pz轨道xzxz43第四十三页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子价键理论

(1)如果两个原子各有一个未成对电子且自旋反平行，就可耦合配对，成为一个共价键

(2)如果一个原子的未成对电子已经配对，就不再能与其它原子的未成对电子配对，这就是共价键的饱和性

(3)电子云重叠越多，形成的键愈强，即共价键的键能与原子轨道重叠程度成正比，这就是共价键的方向性

(4)能量相近的原子轨道可进行杂化，组成能量相近的杂化轨道量子力学相关概念yxxxy（i）1s轨道与2px轨道最大重叠（ii）不是最大重叠C:（1s22s22p2)2s2psp3杂化sp3思考：BeCl2和BF3分子中Be原子和B原子的分别是什么杂化类型？44第四十四页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子分子轨道理论

(1)单电子近似：在分子体系中，任何一个电子都是运动在核势场和其它电子的平均势场中，其运动状态可以用一个单电子波函数描述，这个单电子空间运动的状态函数叫分子轨道

(2)取原子轨道的线性组合表示分子轨道，其组合系数用变分法确定。N个原子轨道线性组合得到N个分子轨道，一半是成键轨道，一半是反键轨道，当N是奇数时，可能有非键轨道

(3)原子轨道组成分子轨道还必须具备能量相近、电子云最大重叠和对称性相同三个条件量子力学相关概念ϕ1ϕ2Ψ1=ϕ1+

ϕ2Ψ2=ϕ1-

ϕ2成键轨道反键轨道原子轨道分子轨道原子轨道氢分子基态的电子排布12py-pys-py12思考：He2是否存在呢？45第四十五页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子有机材料的能带模型最高占有分子轨道（HOMO-HighOccupiedMoleculeOrbit)

能量最低电子占有的分子轨道最低未占有分子轨道(LUMO-LowUnoccupiedMoleculeOrbit)

能量最高电子未占有的分子轨道LUMO有机分子的HOMO和LUMO基态激发态HOMO46第四十六页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子有机材料的能带模型LUMOHOMO

在有机分子组成的固体中存在着两种载流子——电子和空穴，有机分子中载流子参与导电的本质——电子在LUMO轨道和空穴在HOMO轨道的跳跃（hopping）过程47第四十七页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子掺杂有机半导体N型有机半导体

掺杂给体材料到主体材料中，主要通过电子导电的有机材料P型有机半导体掺杂受体材料到主体材料中，主要通过空穴导电的有机材料N型有机半导体P型有机半导体48第四十八页，共五十四页，2022年，8月28日有机材料中的能带和载流子无机半导体和有