金属纳米粒子应用于有机光电器件
有机共轭分子提供共轭仔电子,从而表现出半导体特性,在发光二极管(OLEDs)、异质结太阳能电池(OPVs)、薄膜晶体管(OFETs)及传感器(Sensor)等光电器件中具有广阔的应用前景,在有机照明及显示设备等领域已经实现产业化。为了达到大规模的商用普及,在过去的十几年中许多技术已经被应用于提升有机光电器件的性能,一方面需要对有机分子进行进一步的结构设计与改性,另一方面需要从器件制备等方面寻求其它方法和手段的辅助.早在1857 年英国科学家法拉第在研究道尔顿理论时, 利用氯化金还原出含纳米金的酒红色溶液,其与黄色本体金在性质上的差别显而易见,这为金属纳米粒子后来的广泛应用奠定了基础. 在后来的研究中, 金属纳米粒子以其特殊的体积效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应提供了诸多单分子和体材料没有的特殊性能. 近十几年来金属纳米粒子对生物纳米传感、近场光刻、癌症治疗、表面荧光增强及太阳能吸收等多个领域的发展具有非常重要的推动作用.20世纪末期,有机光电领域迅速兴起,金属纳米粒子由于具有优异的光学和电学性质而被广泛用来改善各类有机光电器件的性能,并获得了不同程度的增强效果.其主要机理包括表面增强荧光、等离激元光捕获、能量转移、电学效应及散射效应等.人们对于纳米粒子对器件的增强机理的认识经历从唯相到理论的阶段:最初纳米粒子在电极界面的引入,直观上改变了电极表面的粗糙度, 加大了电极接触面积, 有利于载流子注入; 随后科学家观察到了纳米粒子引入后的荧光寿命减小现象, 并认为金属纳米粒子特殊的能级结构可以有效地抑制有机分子的光氧化作用, 提高器件稳定性. 2006 年, Choong等引入金属纳米粒子表面增强荧光的设计理念, 利用金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)增强OLEDs 的光发射效率.在增强光致发光方面, 纳米粒子的引入一般可以提升发光薄膜的光致发光强度2 ~10 倍; 斯坦福大学的Moerner 研究组使用三角形金纳米粒子共振实现了近红外苝酰亚胺单分子发光1340倍的增强.为金属纳米粒子提供了更引人注目的增强发光上限. 2009 年,Chen 等引入LSPR 增强吸收的概念, 首次在聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐(Poly 3,4-ethy-lenedioxy-thiophene ：polystyrene-sulfonate, PEDOT：PSS)层中引入金纳米粒子, 并利用金纳米粒子的局域表面等离子共振增强OPVs 的光吸收效率. 在增强吸收方面, 理论上纳米粒子的LSPR可以在保持OPVs活性层厚度不变的情况下,最大限度地提升活性层的光学吸收,且光学吸收的增强不受材料荧光量子产率的限制,增强值应当很高.因此,纳米粒子在提升有机光电器件性能中展现了很好的应用前景,使得越来越多的科学家投入到这一课题中, 如Heeger 、Jen、Kim、陈红征、马於光、陈旭东、蔡植豪和唐建新 等都在这方面做了大量有特色的工作. 同时纳米科学的发展为有机光电器件提供了丰富的纳米结构,使金属纳米粒子的修饰从原来的电极界面扩展到器件中的不同位置.