超小磁场下自旋混合效率调控的有机磁效应及机理

Magnetic field effects (MFEs) which observed in non-magnetic organic light emitting diodes, not only provide a non-contact approach to measure the micro process of carrier transport, spin-dependent excited states’ formation and evolution, but also expand the application range of organic semiconductors, such as producing a novel multifunctional device with integrated magnetic, optical and electronic properties. Although much great progress has been made in MFEs after nearly a decade research, the origin of MFEs is also not quite clear. This project intends to explore the physical origin of MFEs through tuning spin mixing efficiency at ultra-small magnetic field. That is, to realize effective control of the spin mixing efficiency by adjusting the lifetime of electron-hole pairs through utilizing blending technology and trap engineering. This project focuses on the change of sign, lineshape, and magnitude in ultra-small magnetic field to further reveal the influence of spin mixing efficiency on the MFEs. In order to verify the reliability of the result obtained above, synchronous optical and electrical excitation mode could be used to provide theoretical support for the real application of MFEs.

在非磁有机发光二极管中发现的奇特磁效应，不仅可以用于非接触探测有机半导体中载流子的输运、自旋相关激发态的形成及演化等微观过程，很重要一点还可以扩大有机半导体的应用范围，如在单一器件中实现集光-电-磁于一体的新型多功能器件。经过近十年的发展，尽管有机磁效应的相关研究已取得较大进展，但其物理起源仍不十分确定。本项目拟在几个毫特斯拉的超小磁场范围内，通过对有机半导体中自旋混合效率的有效调控来深入探究有机磁效应的微观机制。采用物理共混和陷阱工程等手段，调节主体材料中电子-空穴对的寿命，进而实现对激发态自旋混合效率的有效控制，以此研究超小磁场范围内有机磁效应数值、符号、线型的变化规律，揭示自旋混合效率对有机磁效应的具体影响。为了验证所得实验结论的可靠性，再利用光-电双激发模式所导致激发态的反向演化过程，证实自旋混合的具体作用，阐明有机磁效应的物理机制，为有机磁效应的真正应用提供理论支撑。

在不含有任何磁性材料的有机发光二极管中所发现的有机磁效应仍是当前有机电子学的研究热点。有机磁效应不仅是一种探测有机半导体中载流子的输运、与自旋相关激发态的演化等微观过程的有效的、非接触手段，而且还能扩大有机半导体的应用范围。虽然目前对有机磁效应的相关研究取得了较大的进展，但对其物理起源有待深入研究。本项目基于超小磁效应所观测的结果，获得了如下的研究成果：（1）通过物理共混的方法提高有机半导体中电子-空穴对的解离率进而减小激发态自旋混合效率，证实了自旋混合在有机磁效应中至关重要的作用；（2）通过大电流老化处理的方法，增加有机功能层中浅能级“缺陷态”的数量而利于自旋混合，证实了“缺陷态”能够为自旋混合过程提供反应场所的作用；（3）在激基复合物器件中获得了超大的有机磁响应，提出了该类型器件中反系间窜越过程为获得超大磁效应的原因；（4）我们还将研究延伸到有机场效应晶体管中，并获得了性能优异的以液体电解质为门电极的有机场效应晶体管，并以其为平台将其发展为液体中汞离子的含量的传感器。本项目在执行过程中，共计发表SCI论文7篇，中文核心论文1篇，获得实用新型发明专利授权1项，达到了预期的研究目标。