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激子、极化子和异质结 一、激子和极化子 1、激子 在半导体中，如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去，则在价带内产生一个空穴，而在导带内产生一个电子，从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电，电子带负电，它们之间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起，这样形成的复合体称为激子。 在物理上有两种类型：一种是弗仑克尔激子，它是一种其激发仅定域在分子内部或分子附近的紧束缚激子，故也称为小激子；另一种是Wannier激子，它可以在多个分子间离域，其电子和空穴之间的库仑作用由于距离较远而很弱，故也称为大激子。对于具有弱的相互作用的有机半导体，处于激发态的电子和空穴的相互作用大都属于弗仑克尔激子。 2、激子和激子作用 三重态激子在一定条件下可发生相互淬灭 (triplet-triplet annihilation, TTA)并产生单重态激子, 该单重态激子可以发射光子弛豫到基态, 从而形成滞后的电致发光。 3P* + 3F* →1P + 1F* 其中*代表激发态，上标1，3 分别代表单重态和三重态，F为荧光分子，P为磷光分子 3、极化子 由于有机聚合物中强的电子一声子耦合作用，注入的电子或空穴就会引发局域品格畸变，电子或者空穴与“畸变”一起运动,可以构成复合粒子,称为极化子 4、激子和极化子作用 由于单重态激子可以通过辐射跃迁回到基态，寿命较短（约为1纳秒（ns）），三重态激子只能通过非辐射跃迁回到基态，具有较长寿命。由于电子和空穴不断地从阴极和阳极注入，形成的极化子将有很大的几率和激子发生碰撞。而由于单重态激子的寿命非常短，我们认为它和极化子相遇的几率相对较小 。所以讨论的重点为三重态激子和极化子的碰撞。 M．Segal等人提出，一个三重态激子可以被一个单独的极化子湮灭，即它们的碰撞导致极化子被激发，随后被激发的极化子又弛豫到基态，同时三重态激子湮灭 Han-Yong Choi等人通过计算PPV和PDA中各种非线性激发的结合能也指出，激子被极化子湮灭的反应通道为，n+p→p*+W 其中n代表激子，p代表极化子，代表p*极化子激发态，W代表反应中释放给晶格的热能。但是，这样的反应并不只有极化子激发态这一种产物，应该还有很多其它产物。这是因为极化子被激子碰撞后，将引起电子在各本征态之间跃迁，即电子在各本征能级上重新分布，电子在本征能级上的重新分布意味着有多种新的产物生成.例如，极化子和三重态激子碰撞会有单重态激子生成，也会生成极化子的激发态，这两种产物都可以通过辐射跃迁回到基态，因而对电致发光的发光效率产生影响 二 浓度淬灭 1、定义：荧光激活剂浓度高于某一值后，其发光效率和强度都随之减低的现象，称之为浓度淬灭 2、两个发光中心的能量传递和发光中心和周围晶格间的能量能量传递 （1）两个发光中心的能量传递 两个发光中心，它们之间的能量传递与临界距离有关。 临界传输距离(RC)我们可以用Dexter公式 结合我们的光谱数据来进行计算，Dexter公式如下 所示： 其中P为发光离子的振子强度，；E是光谱重叠处最大强度值时的光子能量；s．O．则是光谱重叠部分的 面积积 （2）发光中心将能量传递给周围的晶格缺陷而淬灭 三、异质结 pn结是在同一块半导体中用掺杂的办法做成两个导电类型不同的部分。一般pn结的两边是用同一种材料做成的，也称为“同质结”。 如果结两边是用不同的材料制成，就称为“异质结” 根据两种半导体的导电类型是相反的还是相同的，存在两种类型的异质结，即反型（P-N）和同型（N-N或P-P）异质结。 根据界面的物理厚度，异质结也有突变结和缓变结之分，但一般情况下以突变结居多 与同质PN结的异同 相同点：形成空间电荷区能带弯曲；有电容效应。 不同点： (1)异质结两侧的材料具有不同的禁带宽度 （2）由于两种材料介电常数不同，因而电场在界面处不连续，导致能带出现尖峰、下陷和不连续。 （3）导带上的下陷处积累高密度的电子，可以形成2维电子气2DEG。