編輯總結(jié)
在半導(dǎo)體材料中引入手性以實(shí)現(xiàn)高水平的圓偏振光發(fā)光（CPL）引起了廣泛關(guān)注。目前，效率較高的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）系統(tǒng)采用空間上分離的發(fā)光分子與載體的組合，導(dǎo)致CPL水平較低。此前嘗試建立均勻手性超分子序列的做法與優(yōu)化的OLED器件架構(gòu)不兼容。本研究找到了一種方法，通過三氮雜三芳烯分子制造出具有手性超分子納米結(jié)構(gòu)的均勻薄膜。這一方法與OLED制造兼容，并展示了強(qiáng)烈的綠色CPL。這項(xiàng)工作為由圓偏振光驅(qū)動(dòng)的有機(jī)電子學(xué)發(fā)展開辟了新的方向。——Yury Suleymanov
研究背景
OLED（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機(jī)電激光顯示、有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體（Organic Electroluminescence Display，OLED）。OLED屬于一種電流型的有機(jī)發(fā)光器件，是通過載流子的注入和復(fù)合而致發(fā)光的現(xiàn)象，發(fā)光強(qiáng)度與注入的電流成正比。OLED在電場的作用下，陽極產(chǎn)生的空穴和陰極產(chǎn)生的電子就會發(fā)生移動(dòng)，分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入，遷移到發(fā)光層。當(dāng)二者在發(fā)光層相遇時(shí)，產(chǎn)生能量激子，從而激發(fā)發(fā)光分子最終產(chǎn)生可見光。 一般而言，OLED可按發(fā)光材料分為兩種：小分子OLED和高分子OLED（也可稱為PLED）。當(dāng)前研究表明，現(xiàn)有的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)使用分子載體中的發(fā)光分子，從而產(chǎn)生光源。鑒于此，英國劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室Rituparno Chowdhury，Richard H. Friend&埃因霍溫理工大學(xué)E. W. Meijer團(tuán)隊(duì)合作在Science期刊上發(fā)表了題為“Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films”的最新論文。他們報(bào)告了一種手性有序超分子組裝體中的綠色圓偏振光發(fā)光（CPL），該系統(tǒng)中三氮雜三芳烯（TAT）具有24%的不對稱性。作者發(fā)現(xiàn)，TAT分子自組裝成具有六分子螺距的螺旋結(jié)構(gòu)，賦予價(jià)帶和導(dǎo)帶角動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)了觀察到的CPL。他們通過共升華法將TAT作為“客體”與結(jié)構(gòu)不匹配的“載體”結(jié)合，使得薄膜的制造得以實(shí)現(xiàn)，在此過程中通過熱觸發(fā)的摻雜物與載體的納米相分離實(shí)現(xiàn)了手性結(jié)晶，并保持了薄膜的完整性。該OLED顯示出最高16%的外量子效率和≥10%的電致發(fā)光不對稱性。真空沉積手性超結(jié)構(gòu)為探索手性驅(qū)動(dòng)的光學(xué)和傳輸現(xiàn)象開辟了新的機(jī)遇。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次通過熱誘導(dǎo)相分離法在真空升華的載體-摻雜薄膜中成功制造了手性超分子納米結(jié)構(gòu)，得到了綠色圓偏振光發(fā)光（CPL）。該方法通過將三氮雜三芳烯（TAT）分子自組裝成手性螺旋結(jié)構(gòu)，賦予了激子軌道角動(dòng)量，產(chǎn)生了高不對稱性的電致發(fā)光（gEL ~ 10?1）。（2）實(shí)驗(yàn)通過結(jié)合高效OLED器件與高不對稱性的電致發(fā)光，取得了顯著的結(jié)果。采用這種手性超分子結(jié)構(gòu)的OLED顯示出高外量子效率（EQEmax ~ 16%）和高亮度（Lmax > 5 × 10? cd m?2），證明了該方法在提升OLED性能方面的有效性。此外，這項(xiàng)研究還展示了手性超分子結(jié)構(gòu)在高效OLED中的應(yīng)用潛力，為基于手性驅(qū)動(dòng)的光學(xué)和傳輸現(xiàn)象提供了新的探索機(jī)會。（3）通過此研究，成功實(shí)現(xiàn)了在保持器件性能的同時(shí)，顯著提高了EL不對稱性，突破了傳統(tǒng)OLED中器件性能與EL不對稱性之間的權(quán)衡限制，推動(dòng)了圓偏振有機(jī)發(fā)光二極管（CP-OLED）技術(shù)的發(fā)展。
圖文解讀
圖2. S-TAT手性電子結(jié)構(gòu)的從頭計(jì)算。圖4 圓偏振有機(jī)發(fā)光二極管（CP-OLED）
結(jié)論展望
總之，本文提出了一種高效OLED制造方案，該方案包含手性結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生圓偏振發(fā)射，同時(shí)不降低效率和亮度。通過真空共升華的客體-載體系統(tǒng)，選擇性地使其在手性結(jié)構(gòu)中進(jìn)行原位結(jié)晶，從而實(shí)現(xiàn)了可控的薄膜加工，這一方法與OLED制造完全兼容。其他實(shí)現(xiàn)LED圓偏振發(fā)射的方法使用了自旋選擇性電極，如磁偏振金屬自旋注入器和手性自旋注入的二維金屬鹵化物鈣鈦礦。本文展示了一種分子結(jié)構(gòu)，其中CPL來源于電子能帶結(jié)構(gòu)，不需要自旋-軌道耦合（如最近在二維鈣鈦礦中提到的Rashba分裂）。這一結(jié)果可能具有廣泛的應(yīng)用前景：圓偏振發(fā)射在LED顯示中的光控制具有潛在價(jià)值，并為探索自旋選擇性輸運(yùn)過程提供了機(jī)會。 Rituparno Chowdhury et al. ,Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films.Science387,1175-1181(2025).DOI:10.1126/science.adt3011
