Размерный эффект магнитного отклика фотореакций в органических полупроводниках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размерный эффект магнитного отклика фотореакций в органических полупроводниках

Пеньков С.А.

Органические полупроводники на основе сопряженных полимеров являются важным и интересным объектом исследования, поскольку для них характерны такие характерные особенности как квази-1D кристаллическая структура, электролюминесценция и электропроводность [1]. Поли [2-метокси, 5- (2'-этилгексокси) -1,4- фениленвинилен] (MEH-PPV), часто использующийся как активный элемент в органических светодиодах и солнечных батареях, является типичным полимером с сопряженными двойными связями. Кроме этого, данный класс полимеров интересен целым спектром спин-селективных реакций [2], присущих этой системе и являющихся причиной таких процессов как фото- и электролюминесценция, фотопроводимость. Детальное описание вышеперечисленных магнитозависящих процессов невозможно без учета наличия молекулярного кислорода, присутствующего в разных количествах в экспериментальных образцах и устройствах оптоэлектроники на основе электропроводящих полимеров. Известно, что молекулярный кислород в основном триплетном состоянии является эффективным тушителем возбужденных триплетных состояний органических молекул [1], а молекула MEH-PPV характеризующаяся первым возбужденным синглетным состоянием с энергией ~ 2,5 эВ и триплетным состоянием с энергией ~ 1,3 эВ [2,3], является донором энергии в системе MEH-PPV-O₂.

В литературе освещены различные механизмы, ответственные за магнитозависимые эффекты в органических светоизлучающих диодах. Некоторые модели подчеркивают влияние магнитного поля на подвижность носителей заряда в устройстве [4], в то время как другие - учитывают влияние магнитного поля на плотность носителей заряда, участвующих в спин-зависимых микроскопических поляронных и экситонных процессах. [5]. В этих моделях предлагаются различные механизмы, приводящие к перемешиванию спиновых состояний. Были предложены, например, такие, которые включают в себя сверхтонкое взаимодействие (СТВ) [4], дельта g механизм и спин-орбитальную связь (СОВ) в малых молекулах, содержащих тяжелые атомы [6-8]. Таким образом, совокупность спин-селективных процессов, происходящих в органическом полупроводнике, можно описать следующими реакциями:

Т₁+Т₁-^1,3,5(Т₁…Т₁) -S₁+S₀

Т₁+³(O₂)- ^1,3,5(Т₁…³(O₂))- ¹(O₂)+S₀

^1,3(PP)- S₀

¦

^1,3,5(PP…³(O₂))- ¹(O₂)+S₀,

где Т₁ - первое возбужденное триплетное состояние экситона, S₁,S₀ - соответственно первое возбужденное и основное состояния экситона, РР - поляронная пара. магнитополевой эффект фотолюминесценция

В данной работе были получены магнитополевые зависимости фотолюминесценции пленок и наночастиц органического полупроводника MEH-PPV, произведено их сравнение друг другом. Экспериментальная установка представлена на рисунке 1. Полимер использовался без очистки и дополнительной обработки. Для получения пленок приготавливался раствор полимера MEH-PPV, с массовой долей 0,1 %, в бензоле. Полученный раствор наносился на стеклянные подложки размером 10х25 мм. Образцы подвергались сушке.

Рис. 1 Экспериментальная установка по наблюдению магнитополевого эффекта фотолюминесценции.

Наночастицы MEH-PPV создавали с использованием методики, описанной в литературе [9]. Приготавливали 0.001 % раствор MEH-PPV в бензоле и 20 мл спиртовой раствор ПВБ (поливинилбутираль). В спиртовой раствор добавляли по каплям раствор MEH-PPV при постоянном перемешивании. Полученная коллоидная смесь наносилась на стеклянные подложки размером 10х25 мм. Образцы подвергались сушке.

Магнитополевой эффект определялся выражением MFE = I(B)/I(0), где I(B) и I(0) интенсивности фотолюминесценции образцов в максимуме спектра (600 нм) в магнитном поле и без магнитного поля соответственно.

Рис. 2 Магнитополевая зависимость относительной интенсивности люминесценции пленок MEH-PPV.

Рис. 3 Магнитополевая зависимость относительной интенсивности люминес-ценции наночастиц MEH-PPV, в матрице ПВБ (поливинилбутираль).

На рисунках 2 и 3 представлены магнитополевые зависимости относительной интенсивности люминесценции однородных пленок MEH-PPV и наночастиц MEH-PPV внедренных в матрицу на основе ПВБ. Из рисунков видно, что знак эффекта меняется с положительного в случае неограниченной среды, на отрицательный в случае пленки с наночастицами. Предполагается, что отрицательный эффект магнитного поля происходит за счет возврата парамагнитных возбужденных состояний в реакционную зону, которые будучи в сплошной пленке, разбегаются с последующей дезактивацией, формируя положительный эффект. Данная ситуация схематически проиллюстрирована на рисунках ниже.

Рис. 4 Дезактивация триплетных экситонов в неограниченной среде.

Рис. 5 Возврат триплетных экситонов в нанообъеме.

Список литературы

Kucherenko, M.G. Spectral transformations of hybrid nanostructures with exciton-plasmon coupling in magnetic field // Proc. IX Russian-Japanese Confer. Chem. Physics of Molecules and Polyfunc. Mater. Orenburg. OSU. 2018. -P. 18-21.

Kucherenko, M.G. Positive magnetic field effect on mutual triplet triplet annihilation of mixed molecular pairs: Magnetosensitive geterofusion induced by difference of g-factors / M.G. Kucherenko, R.N. Dusembaev // Chem. Phys. Lett. 2010. -V. 487. P. 58-61.

Tachikawa, H. Magnetic field effects on oxygen quenching of delayed fluorescence of anthracene and pyrene in fluid solution / H. Tachikawa, A.J. Bard. // J. Am. Chem. Soc., 1973. - V. 95. -N.5. - P. 1672-1673.

Monkman, A. P. Triplet Energies of р -Conjugated Polymers / A. P. Monkman, H. D. Burrows, L. J. Hartwell, L. E. Horsburgh, I. Hamblett and S. Navaratnam // Phys. Rev. Lett., 2001. - V.86. - N.71. - P. 1358.

Kohler, A. Triplet states in organic semiconductors /A. Kohler, H. Bassler // Materials Science and Engineering R , 2009. - V.66. - P.71

Bergeson, J.D. Inversion of Magnetoresistance in Organic Semiconductors / J.D. Bergeson, V.N. Prigodin, D.M. Lincoln, and A.J. Epstein // Phys. Rev. Lett., 2008. - V.100. - N.6. - P. 7201.

Desai, P. Magnetoresistance and efficiency measurements of Alq₃ -based OLEDs / P. Desai, P. Shakya, T. Kreouzis, W. P. Gillin, N. A. Morley, and M. R. J. Gibbs //Phys. Rev. B, 2007. -V.75. - N.9. - P. 4423.

Nguyen, T.D. Isotope effect in spin response of р-conjugated polymer films and devices / T.D. Nguyen, G. Hukic-Markosian, F.J. Wang, L. Wojcik, X.G. Li, E. Ehrenfreund, and Z. Valy Vardeny // Nat. Mater., 2010. - V.9. - P. 345.

Gautam, Bhoj R. Magnetic field effect on excited-state spectroscopies of р-conjugated polymer films / Bhoj R. Gautam, Tho D. Nguyen, Eitan Ehrenfreund and Z. Valy Vardeny // Phys. Rev. B, 2012. - V.85. - N.20. - P.5207.

Gautam, Bhoj R. Magnetic field effect spectroscopy of C60-based films and devices / Bhoj R. Gautam, Tho D. Nguyen, Eitan Ehrenfreund, and Z. Valy Vardeny // J. Appl. Phys., 2013. - V.113. - N14. - P.3102.

Pecher, J. Nanoparticles of Conjugated Polymers / J. Pecher, S. Mecking // Chem. Rev., 2010. - V.110. - P. 6260.

Размещено на Allbest.ru