研究论文介绍

Spotlight Research–单线态分裂在有机近红外电致发光器件上的首次应用

本文来自日文版,翻译作者Suming,校对 Hao Ye

本期的研究特别关注栏目介绍的是来自九州大学最尖端有机光电子研究中心(OPERA)攻读博士后期课程一年级的永田亮的最新工作。

永田所在的最尖端有机光电子研究中心是由安达千波矢教授领导并负责,且在有机光电领域具有世界领导地位的先进研究所,其革命性的科研成果层出不穷。去年年底就因研发出世界上第一个新型有机长余辉发光材料(Nature, 550, 384 – 387 , 2017),而成为了当时的热门话题。

这次介绍的内容是激子生成效率超过100%的有机电致发光器件(OLED)的工作。个人认为,将单线态激子分裂(单线态分裂)应用于光化学过程,是试图将基础科学引向应用的一次很好的尝试。本科研成果刊登于Advanced Materials杂志,与此同时九州大学、JST(日本科学技术振兴机构)、日本“我的导航—新闻频道”等多家媒体也进行了相关报道。

 

Exploiting Singlet Fission in Organic Light‐Emitting Diodes”

Ryo Nagata, Hajime Nakanotani, William J. Potscavage Jr. & Chihaya Adachi

Advanced Materials, 2018, 1801484. DOI: 10.1002/adma.201801484

中野谷一副教授对该工作以及永田亮同学进行了如下的评价:

“让我们来作一个明亮的近红外(NIR)-OLED吧”——虽然这句话对于当时只是大学四年级学生的永田来说有些难为他,但是他并没有畏惧压力和闲言,而是在其硕士一年级时就实现了超过100%激子利用率的NIR-OLED,并且这还是在多次实验均能达到>100%利用效率的基础上实现的。我觉得永田之所以能够取得这样的成绩正是缘于他对科研真挚而诚实的态度以及他倍于常人的努力,因此我相信永田未来的研究成果将会更加引人注目!让我们期待永田更多的好结果吧!

 

Q1:本新闻稿的主题是什么样的研究?

这是世界上第一次利用单线态分裂过程实现电致发光。

图1利用单线态分裂过程的有机电致发光器件的发光原理

 

有机电致发光器件是靠有机分子中的电子和空穴在电致复合产生的激子,随着产生光子来发光的器件。在这项研究中,我们旨在证明和演示单线态分裂过程及其发光机制,目的是在有机EL器件内实现超过100%的激子产生效率(图1)。在这里,激子产生效率是指“在由电子空穴再结合产生的激子中可以促成发光的激子比例”。并且单线态分裂过程是单线态(S1)分子与相邻的基态分子相互作用以在两个分子中形成三线态激子(T1)的过程。利用这个过程,有机电致发光器件的激子发生效率的理论极限达到了125%。事实上,在本研究中,通过发光强度的磁场依赖性等数据的测量,已经可以证实,由单线态分裂过程所产生的三线态激子有助于增加近红外发光强度。根据该研究结果,未来或许可以利用此技术实现高强度的近红外有机电致发光器件,并将它应用于生物测量和通信技术领域。

 

图2. 利用单线态分裂过程而引起的近红外发光强度的提升(插图. 可见光、近红外发光强度的磁场依赖性)

 

Q2. 关于这项研究,有哪些下足了功夫的地方,还有哪些值得思考的的地方?

在这次研究的进行过程中,寻找能接受单线态分裂材料红荧烯的三线态能量的受体花费了我们很多时间,我们尝试了包括卟啉衍生物和酞菁衍生物在内的各种各样的近红外发光材料。但是,这些材料在可见光区域具有非常强的吸收带,比如Soret带和Q带,而它与红荧烯的荧光光谱恰巧是重叠的,结果,在使用这些近红外发光分子的情况下,与红荧烯中的单线态分裂相比,发现从红荧烯的S1状态到近红外发光分子的S1状态的荧光共振能量转移(FRET)过程占据了主导地位。因而最终,通过将具有比红荧烯分子S1态更高位的高配体络合物作为近红外发光材料,成功的抑制了红荧烯在s1状态下的荧光共振能量转移,并直接将能量从红荧烯的T1状态转移到中心金属体。

 

Q3.这次研究课题的难点在哪里? 您又是如何克服它的?

在这项研究中特别苦恼的是如何证明单线态裂变过程对于发光贡献的过程。通过可见光、近红外发光的磁场依赖性来确认单线态裂变作用的报告本身有很多,但是,在实际准备磁场测量系统和准备实际测量之前,仍然必须要花很长时间的准备和反复试验。等到了测量阶段,近红外发光材料的“发光太弱”的特征麻烦就显现了出来。在本研究中的发光磁场依赖性测量中,为了观察到弱近红外光那仅为百分之几的微弱变化,必须极尽全力的消除诸如阳光和室内光等干扰光线的影响。所以那个时候,我们开始了像是吸血鬼德古拉伯爵一样夜出昼伏的研究生活。不过在不远的将来,我认为或许可以通过针对单线态分裂增强有机电致发光器件的实际应用,来寻求提高近红外发光材料本身的效率。

 

Q4. 您希望未来的化学研究生活是什么样子的?

有机光电子学的研究往往被视为应用研究领域,但我认为这是一个基础和应用相结合的综合研究领域,是一个非常引人入胜的领域。我们要时刻重视应用研究对相关理论的反馈作用,希望在不久的将来能够开展出像教科书中那样的原理性优美的研究。

 

Q5. 最后,您有什么想对读者说的吗?

保持自律,研究绝非靠一个人就可以完成的。另外,在实验室和学术会议上,您还可以与具有各种不同经验和专业知识的研究人员交流新想法,并通过获得他们的各种各样的建议来获得新的研究视角,此外,在其他研究人员介绍他们的研究时,采取积极的态度,主动的去思考“如何将这项研究用于自己的研究?”“怎么样让自己像别人这样研究?”等等问题也尤为重要!总之,要保持自己视野的广阔,并学会享受讨论的乐趣,因为我认为新科学成果的诞生有时候正是源于人与人之间的交流。即使对于单线态分裂增强有机电致发光器件效率来说,仍然还有很多需要改善的课题有待研究,如果能够与各种各样的研究人员合作,共同开发出更高性能的话,我将感到非常荣幸。

最后,本研究的顺利开展,获得了安达千波矢教授、中野谷一副教授、William J. Potscavage Jr.博士热情的指导,并对日常给予我们颇多照顾的九州大学OPERA、ERATO安达分子激子工学项目的各位表示衷心的感谢。

 

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Peng Li

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