台大有機電致發光研究 突破「能量間隔定律」瓶頸(圖)

2020-07-10 22:50 作者: 盧乙欣

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台灣大學化學系教授周必泰領導的國際研究團隊,克服了「能量間隔定律」理論瓶頸,有望讓有機電致發光(OLEDs)應用邁進一大步。圖為OLED照明面板樣機。
台灣大學化學系教授周必泰領導的國際研究團隊,克服了「能量間隔定律」理論瓶頸,有望讓有機電致發光(OLEDs)應用邁進一大步。圖為OLED照明面板樣機。(圖片來源:STRONGlk7/維基百科)

【看中國2020年7月10日訊】(看中國記者盧乙欣綜合報導)由台灣大學化學系教授周必泰帶領的國際研究團隊,近來克服了半世紀以來的「能量間隔定律」理論瓶頸,可望能讓有機電致發光OLEDs)的應用邁進一大步。

綜合中央社與聯合報報導,國際頂尖期刊「自然光電Nature Photonics」於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」,獲得了學界重視。

這篇突破性的研究起始於周必泰在2017年跟(台灣)清華大學教授季昀、林皓武等人合作論文,並將OLEDs波長推到740奈米,直至現今這24%的發光效率仍然是近紅外OLEDs的世界紀錄。一般可見光約為400至700奈米。

紅外線的波長越長越紅,然而,要持續推進至近紅外區(700至2000奈米波長),就會遇上「能量間隔定律」理論限制。當有機分子發光能量趨近至近紅外區時,本來要放光的激子(exciton)振動波函數,會跟基態高振動的波函數產生干涉作用,並產生科學上的「耦合(coupling)」,原本應該放光的激子經由振動緩解,並以熱的形式消散。

台大團隊設法降低上述「耦合」的強度,尋求突破的契機。研究團隊形容說,就像是工人使用鑽孔機挖路,機器的振動會傳給工人,導致工人跟著強烈振動起來,然後再經由摩擦的各種小振動轉變為熱,消散出去。若有3名工人組合在一起鑽孔,彼此之間存在著某種作用力關係,讓他們會排列的非常整齊,在共振之下使鑽孔機的振動由3人來分攤,每名工人這時的負擔便會減弱至1/3,理論上工人越多,效果就會越好。

周必泰聯合清大季昀等人,設計合成了新穎的鉑金屬化合物,並藉著鉑與鉑之間的作用力,讓分子能夠以某種作用力結合方式,一個一個有秩序自組裝(self-assembly)在一起。隨著自組裝的排列愈長,激子數目就會愈多,分布的振動能就會愈下降,也就是激子/振動的耦合力會愈減弱,放光效率就會愈強。該團隊一舉將鉑金屬錯合物的放光波長推到了空前的960奈米。

隨後也跟中國大陸蘇州大學教授廖良生合作,並獲得了國際上首先突破紅外光至960奈米放光的OLEDs;至於台灣海洋大學教授洪文誼製成了各類薄膜;淡江大學教授徐秀福在協助於同步輻射X光的解析之下,證實分子在薄膜狀態下是具規則性排列。

至於最艱難的挑戰則是證明有多少數目鉑金屬分子排列一起,產生的激子能夠有效的與振動來耦合。論文第一作者、台大化學系博士生魏佑臣,運用先進的雙激子吸收瞬態光譜,求得了8至9個鉑金屬化合物排列是有效的激子共振範圍,此次也是第一次在國內架設相關精準實驗,以驗證整個實驗構想。

在上述團隊成員的合作下,理論與實驗互相印證,打破了半世紀以來大家所認定有機強紅外發光是不可能達成的瓶頸,可望能讓OLEDs在近紅外的應用,例如生醫紅外影像、紅外線醫療、手機紅外辨識與測距夜視等領域邁進一大步。



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