科學研究 - 日本理研發現OLED新發光機制，能在低電壓下選擇性形成三重態激子

日本理化學研究所（簡稱「理研」）的一個國際聯合研究小組發現了能在低電壓下有選擇地形成三重態激子的新機制。三重態激子在有機電致發光器件（OLED）中發揮着重要作用，這項研究成果有望提高OLED器件的能量效率，擴大發光材料的選擇範圍。

此次，研究小組利用自主開發的掃描隧道顯微鏡（STM）光譜儀，在單分子水平上詳細調查了帶負電的分子發光特性。調查發現，由於分子主記憶體在剩餘電子，電子之間會發生相輔作用，進行自旋選擇性電子傳導，從而在低電壓下有選擇地形成三重態激子。

圖：利用STM對PTCDA分子進行單分子發光測量的示意圖

有機分子的發光包括一重態激子（S1）發光的「螢光」和三重態激子（T1）發光的「磷光」兩種（圖1）。在S1和T1中，佔據前線軌道（最高佔據軌道HOMO和最低未佔軌道LUMO）的各個電子的自旋方向不同。在S1中，兩個軌道的自旋方向反向平行，而在T1中則是平行的。與S1相比，T1的形成效率更高，因此採用磷光的OLED器件佔主流。不過，採用磷光的OLED器件存在兩個問題，即驅動電壓比採用螢光的器件高、藍色磷光材料尚未實施商用化。

圖1：螢光和磷光的發光原理

研究小組利用自主開發的STM光譜儀，進行了單分子發光測量。圖2a是實驗概念圖。該實驗系統是OLED器件最簡單的模式，利用STM探針和金屬基底層作爲正負電極，二者中間存在有機分子並有電流透過。實驗物件採用易於獲取電子的3,4,9,10-苝四羧酸二酐（PTCDA）分子（圖2b），吸附分子的基底層採用在銀基底層上成長的氯化鈉（NaCl）絕緣膜。PTCDA分子吸附到該基底層上後，會從金屬基底層獲取一個電子，並形成帶負電的狀態。

研究小組裝載3.5V的電壓進行實驗，獲得了圖2c所示的發光光譜。圖中1.33eV（933nm）處出現的發光峰值是來自PTCDA分子的磷光（T1的發光），2.45eV（505nm）處出現的發光峰值爲螢光（S1的發光）。