第二章 理論基礎
2.2 激子的能量放射
有機材料中，激子主要是以能量轉移(energy transfer)與載子捕捉(carrier trapping)的方式放出能量。能量轉移機制可分為輻射過程與非輻射過程。輻 射過程能量轉移為由一個施體分子(donor)發出光，並被另一受體分子
(acceptor)吸收，即為放射再吸收，以此方式轉移能量；而非輻射過程能量 轉移又可分為 Förster 與 Dexter 兩種方式。Förster 能量轉移是由庫倫力所產 生的偶極-偶極(dipole-dipole)來傳遞能量，適合長距離之能量轉移；Dexter 能量轉移則是以近距離之電子交換方式來傳遞能量。而載子捕捉是指電子 與電洞對直接在客發光體上再結合成 Frenkel 激子(Frenkel exciton)，即電子 電洞對位於同一分子內的激子，進而激發客發光體來發光。由單重態掉回 基態並放出光的過程稱之為螢光(fluorescence)放光；反之，由三重態降回基
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態並放出光的過程稱之為磷光(phosphorescence)放光，以下小節將詳述之。
2.2.1 載子捕捉(carrier trapping)
除了藉由主發光體轉移到客發光體的方式外，也可能經由載子捕捉方 式來激發客發光體，即電子與電洞直接在客發光體上再結合成 Frenkel 激子 (Frenkel exciton)，即電子電洞對位於同一分子內的激子，進而激發客發光 體來發光。此機制會發生在客體材料摻雜在能隙較大的主體材料中，且客 體材料的 HOMO 與 LUMO 能階皆被包覆在主體材料的 HOMO 與 LUMO 能階內，如圖 11 所示。當主體材料的能隙過大時，電子與電洞不易注入到 主體材料，而容易直接注入到客體材料上進行再結合使客體材料放光。但 如果客體材料的 HOMO 或 LUMO 能階只有其中一個包含在主體材料的 HOMO 與 LUMO 能階內，則需參考客體材料的 Frenkel 激子是否處於較低 的能態，如果是的話則傾向於形成客發光體而激發放光，如果不是的話則 傾向於形成主客體材料間的電子電洞對而致不利放光 [9] 。在高摻雜濃度 或低電流密度下，載子捕捉會是主要的發光機制。
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圖 11 Frenkel exciton 的能階示意圖
2.2.2 螢光與磷光
根據庖利不相容原理，每一個分子軌域最多只可以填滿兩個電子，從 最低能階開始向上填滿可以得到最低能量的電子組態，當電子只填滿 HOMO 時，此時為基態，表示為 S0，而未被激發的分子一般都在基態的位 置，當一激發光的振動頻率與分子的任一個能階差一致時，分子會與光進 行共振(resonance)，光的能量被分子吸收，使電子躍遷到較高的軌域，是為 激發態。但處於激發態的電子會很快經由內轉換過程或振動鬆弛過程掉回 到能量最低的軌域，此時為 LUMO。電子與電洞經由結合的激發態，分為 單重態 (singlet excited state, Sn)與三重態 (triplet excited state, Tn)兩種。由單 重態掉回基態並放出光的過程稱之為螢光(fluorescence)放光；反之，由三重
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態降回基態並放出光的過程稱之為磷光(phosphorescence)放光。以下將搭配 圖 12 能階路徑圖以詳述之。
圖 12 Jablonski 能量路徑示意圖
1. 螢光放光
分子吸收光的能量後，電子從基態 S0躍遷至激發態 S2*，處於激發態 S2
*的電子可以透過不同途徑釋放能量回到基態，例如電子可以從 S2*透過短 於 10-12 秒的內轉換過程躍遷至能量較低的激發態 S1
*，接著 S1*以發光的方 式釋放出能量回到基態，此時發出的光就是螢光，其壽命約為 10-8至 10-5 秒。而螢光性質會受其分子結構影響，當分子為具剛硬且平面的結構時，
會有較強烈的螢光；或是分子取代基含有推電子基團，均可以增加螢光強
25 (Indium Tin Oxide, ITO)做為陽極，再利用為了降低注入能障而選用的低功 函數金屬如：鋁、銦、鎂、鈣等，在陰陽兩極中間為發光材料製成的主動