臺大打破半世紀理論瓶頸 OLEDs近紅光應用升級

臺灣大學化學系教授周必泰領導的國際研究團隊,近來克服半世紀以來的「能量間隔定律」理論瓶頸,可望讓有機電致發光(OLEDs)應用邁進一大步。

國際頂尖期刊「自然光電 Nature Photonics」6月底刊登周必泰團隊論文「利用激子-振動去耦合概念,克服能量間隔定律障礙,藉以製成高效率近紅外有機電致發光元件」,獲得學界重視。

這篇突破性研究始於周必泰於2017年與清華大學教授季昀、林皓武等人合作論文,將OLEDs波長推至740奈米,直到今日這24%的發光效率仍是近紅外OLEDs的世界紀錄。這也讓團隊思考,為何半世紀以來在「能量間隔定律」理論設限下,有機材料還能在近紅外區放強光。

周必泰說,「能量間隔定律」就是當有機分子的「發光能量」趨近到近紅外光區時,原本要放光的激子(exciton)的振動波函數,會跟基態高振動的波函數產生干涉作用,以致於在激子/振動的互相重疊,也就是科學上稱「耦合」(coupling)下,本來該放光的激子卻經由振動緩解,以熱的型式消散下來。當能階的間隔愈小時,耦合就愈強,放光效率就愈差。有機或有機金屬材料要在700至800 奈米有高放光效率相當稀少,若放光要在大於800 奈米則更是鳳毛麟角。

臺大團隊設法有效降低有機材料激子/振動的耦合強度,進而減低熱消散的機率,或許提供可以突破的契機。研究團隊形容,就像是由挖路工人用鑽孔機鑽洞,機器的振動會傳給工人,讓工人也感受到強烈振動,然後經由摩擦的各種小振動轉變為熱,消散出去。若想像有三位工人組合在一起鑽孔,因為相互之間存在某種作用力關係,讓他們排列的非常整齊,在共振下鑽孔機的振動平均由三人來分攤,這時每位工人的負擔便減弱至三分之一,理論上工人越多,效果越加。

研究團隊形容,就像是由挖路工人用鑽孔機鑽洞,機器的振動會傳給工人,讓工人也感受到強烈振動,然後經由摩擦的各種小振動轉變為熱,消散出去。(臺大提供)

周必泰聯合季昀等人,設計合成新穎的鉑金屬化合物,藉著鉑與鉑之間的作用力,讓分子成功達成分子自組裝的目標。隨著自組裝及團隊雙方共同合作努力下,一舉將鉑金屬錯合物的放光波長推到空前的960奈米。

隨後與中國蘇州大學教授廖良生合作,成功獲得國際上首先突破紅外光至960奈米放光的OLEDs。另一方面,經由海洋大學教授洪文誼製成各類薄膜,淡江大學化學系教授徐秀福在同步輻射X光的解析下,證實分子在薄膜狀態下具規則性排列。

臺大表示,該校化學系博士生魏佑臣,利用先進的雙激子吸收瞬態光譜,求得8至9個鉑金屬化合物排列是有效的激子共振範圍,這也是首次在國內架設相關精準實驗來驗證整個實驗構想。利用理論及實驗互相印證,打破半世紀以來,大家認為有機強紅外發光是不可能達成的瓶頸,將引領未來在近紅外有機發光領域的學術基礎研究,以及促進前述之紅外光產業應用之契機。也可望讓OLEDs在近紅外的應用,如生醫紅外影像、紅外線醫療、手機紅外辨識、測距夜視等領域邁進一大步。

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