台大有机电致发光研究 突破“能量间隔定律”瓶颈(图)

2020-07-10 22:50 作者: 卢乙欣

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台湾大学化学系教授周必泰领导的国际研究团队,克服了“能量间隔定律”理论瓶颈,有望让有机电致发光(OLEDs)应用迈进一大步。图为OLED照明面板样机。
台湾大学化学系教授周必泰领导的国际研究团队,克服了“能量间隔定律”理论瓶颈,有望让有机电致发光(OLEDs)应用迈进一大步。图为OLED照明面板样机。(图片来源:STRONGlk7/维基百科)

【看中国2020年7月10日讯】(看中国记者卢乙欣综合报导)由台湾大学化学系教授周必泰带领的国际研究团队,近来克服了半世纪以来的“能量间隔定律”理论瓶颈,可望能让有机电致发光OLEDs)的应用迈进一大步。

综合中央社与联合报报导,国际顶尖期刊“自然光电Nature Photonics”于6月底刊登周必泰团队论文“利用激子-振动去耦合概念,克服能量间隔定律障碍,藉以制成高效率近红外有机电致发光元件”,获得了学界重视。

这篇突破性的研究起始于周必泰在2017年跟(台湾)清华大学教授季昀、林皓武等人合作论文,并将OLEDs波长推到740纳米,直至现今这24%的发光效率仍然是近红外OLEDs的世界纪录。一般可见光约为400至700纳米。

红外线的波长越长越红,然而,要持续推进至近红外区(700至2000纳米波长),就会遇上“能量间隔定律”理论限制。当有机分子发光能量趋近至近红外区时,本来要放光的激子(exciton)振动波函数,会跟基态高振动的波函数产生干涉作用,并产生科学上的“耦合(coupling)”,原本应该放光的激子经由振动缓解,并以热的形式消散。

台大团队设法降低上述“耦合”的强度,寻求突破的契机。研究团队形容说,就像是工人使用钻孔机挖路,机器的振动会传给工人,导致工人跟着强烈振动起来,然后再经由摩擦的各种小振动转变为热,消散出去。若有3名工人组合在一起钻孔,彼此之间存在着某种作用力关系,让他们会排列的非常整齐,在共振之下使钻孔机的振动由3人来分摊,每名工人这时的负担便会减弱至1/3,理论上工人越多,效果就会越好。

周必泰联合清大季昀等人,设计合成了新颖的铂金属化合物,并藉着铂与铂之间的作用力,让分子能够以某种作用力结合方式,一个一个有秩序自组装(self-assembly)在一起。随着自组装的排列愈长,激子数目就会愈多,分布的振动能就会愈下降,也就是激子/振动的耦合力会愈减弱,放光效率就会愈强。该团队一举将铂金属错合物的放光波长推到了空前的960纳米。

随后也跟中国大陆苏州大学教授廖良生合作,并获得了国际上首先突破红外光至960纳米放光的OLEDs;至于台湾海洋大学教授洪文谊制成了各类薄膜;淡江大学教授徐秀福在协助于同步辐射X光的解析之下,证实分子在薄膜状态下是具规则性排列。

至于最艰难的挑战则是证明有多少数目铂金属分子排列一起,产生的激子能够有效的与振动来耦合。论文第一作者、台大化学系博士生魏佑臣,运用先进的双激子吸收瞬态光谱,求得了8至9个铂金属化合物排列是有效的激子共振范围,此次也是第一次在国内架设相关精准实验,以验证整个实验构想。

在上述团队成员的合作下,理论与实验互相印证,打破了半世纪以来大家所认定有机强红外发光是不可能达成的瓶颈,可望能让OLEDs在近红外的应用,例如生医红外影像、红外线医疗、手机红外辨识与测距夜视等领域迈进一大步。



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