利用單重態(tài)裂變的方式開(kāi)辟一條通向高強(qiáng)度近紅外OLED的新途徑

利用單重態(tài)裂變（Singlet Fission）的方式開(kāi)辟一條通向高強(qiáng)度近紅外OLED的新途徑。

單重態(tài)激子裂變，圖片來(lái)源：Kyushu University, OPERA

日本九州大學(xué)有機(jī)光子學(xué)與電子研究中心（OPERA）的研究人員展示了一種在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）中通過(guò)分裂激子能量進(jìn)而獲得激子產(chǎn)量超過(guò)100％限制的方法。這是一條非常有前景的開(kāi)發(fā)低成本高強(qiáng)度近紅外光源的新方法，可用于傳感和通信應(yīng)用。

OLED使用含碳有機(jī)分子層將電荷轉(zhuǎn)換成光。在普通的OLED中，一個(gè)正電荷和一個(gè)負(fù)電荷在一個(gè)分子上聚集在一起形成稱為激子的能量包。一個(gè)激子可通過(guò)釋放能量產(chǎn)生至多一束光或光子。

當(dāng)所有電荷形成發(fā)光的激子時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了目前最大100％的內(nèi)量子效率（IQE）。然而，這篇文獻(xiàn)所使用的新技術(shù)中稱為單重態(tài)裂變的過(guò)程卻將原有的高能量激子的分成兩個(gè)低能量的激子，使得將電荷轉(zhuǎn)換為激子的效率（也稱為激子產(chǎn)生效率）突破了100％的限制，也就意味著OLED材料發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度的提升。

“簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們?cè)贠LED中加入了充作激子變換器的分子。類似于將10美元鈔票轉(zhuǎn)換成兩張5美元鈔票的變換器，這里的變換器分子將昂貴的高能激子轉(zhuǎn)換成兩個(gè)一半（低）能量的激子”九州大學(xué)副教授Hajime Nakanotani針對(duì)新的成果解釋說(shuō)，他是該論文的共同作者。

激子有兩種形式，單重態(tài)和三重態(tài)，分子只能接收具有一定能量的單重態(tài)或三重態(tài)激子。研究人員通過(guò)使用上述作為激子變換器的分子克服了每對(duì)電荷只能產(chǎn)生一個(gè)激子的極限，這種分子能夠接受能量是其單重激子能量一半的三重態(tài)激子。

單重態(tài)激子裂變，圖片來(lái)源：CINNO

在這樣的分子（如上圖示中的紅熒烯）中，單重態(tài)可以將其一半能量轉(zhuǎn)移到相鄰分子，同時(shí)為自身保留一半的能量，從而將一個(gè)單重態(tài)激子分裂成兩個(gè)三重態(tài)激子，這個(gè)過(guò)程叫做單重態(tài)裂變。

緊接著，上述分裂后形成的三重態(tài)激子轉(zhuǎn)移到第二類分子（如上圖示中的8羥基喹啉），該第二類分子可以利用這些三重態(tài)激子的能量發(fā)射近紅外光。在目前的工作中，研究人員能夠?qū)㈦姾煽昭▽?duì)轉(zhuǎn)換為100.8％三重態(tài)激子，這表明100％不再是激子產(chǎn)生效率的限制。盡管單重態(tài)裂變現(xiàn)象之前已在有機(jī)太陽(yáng)能電池（OPV）應(yīng)用中觀察到，但是用于OLED尚屬首次。

此外，通過(guò)對(duì)比近紅外發(fā)射譜和器件暴露于不同磁場(chǎng)后剩余單重態(tài)激子產(chǎn)生的痕量可見(jiàn)光發(fā)射譜，研究人員還可以很容易地評(píng)估單重態(tài)裂變效率，通常該裂變效率很難估計(jì)。

“近紅外光在生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及通信技術(shù)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，”O(jiān)PERA主任Chihaya Adachi說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)單重態(tài)裂變?cè)砜捎糜贠LED產(chǎn)品，這是一條克服挑戰(zhàn)進(jìn)而開(kāi)發(fā)出一種高效近紅外OLED產(chǎn)品的新途徑，它將很快能在實(shí)際產(chǎn)品中被應(yīng)用?！?/p>

在該項(xiàng)目的早期工作中，整體的激子產(chǎn)生效率仍然相對(duì)較低，因?yàn)閭鹘y(tǒng)近紅外波段有機(jī)發(fā)射材料的發(fā)射效率還很低，當(dāng)然，這個(gè)發(fā)射效率總是限制在最高100％以下。盡管如此，這種新方法還是提供了一種在不改變發(fā)射體分子的前提下提高激子產(chǎn)生效率和光發(fā)射強(qiáng)度的方法。另外，研究人員也正在研究改進(jìn)發(fā)射體分子本身。

隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，研究人員希望激子的生產(chǎn)效率高達(dá)125％，這將成為下一個(gè)限制，因?yàn)镺LED材料在通電后產(chǎn)生25％的單重態(tài)激子和75％的三線態(tài)激子。在此之后，他們考慮進(jìn)一步將上述75％的三線態(tài)激子轉(zhuǎn)換為單重態(tài)，這種方案可能最終實(shí)現(xiàn)200％的量子效率。