利用单重态裂变的方式开辟一条通向高强度近红外OLED的新途径

利用单重态裂变（Singlet Fission）的方式开辟一条通向高强度近红外OLED的新途径。

单重态激子裂变，图片来源：Kyushu University, OPERA

日本九州大学有机光子学与电子研究中心（OPERA）的研究人员展示了一种在有机发光二极管（OLED）中通过分裂激子能量进而获得激子产量超过100％限制的方法。这是一条非常有前景的开发低成本高强度近红外光源的新方法，可用于传感和通信应用。

OLED使用含碳有机分子层将电荷转换成光。在普通的OLED中，一个正电荷和一个负电荷在一个分子上聚集在一起形成称为激子的能量包。一个激子可通过释放能量产生至多一束光或光子。

当所有电荷形成发光的激子时，就实现了目前最大100％的内量子效率（IQE）。然而，这篇文献所使用的新技术中称为单重态裂变的过程却将原有的高能量激子的分成两个低能量的激子，使得将电荷转换为激子的效率（也称为激子产生效率）突破了100％的限制，也就意味着OLED材料发光效率和发光强度的提升。

“简单地说，我们在OLED中加入了充作激子变换器的分子。类似于将10美元钞票转换成两张5美元钞票的变换器，这里的变换器分子将昂贵的高能激子转换成两个一半（低）能量的激子”九州大学副教授Hajime Nakanotani针对新的成果解释说，他是该论文的共同作者。

激子有两种形式，单重态和三重态，分子只能接收具有一定能量的单重态或三重态激子。研究人员通过使用上述作为激子变换器的分子克服了每对电荷只能产生一个激子的极限，这种分子能够接受能量是其单重激子能量一半的三重态激子。

单重态激子裂变，图片来源：CINNO

在这样的分子（如上图示中的红荧烯）中，单重态可以将其一半能量转移到相邻分子，同时为自身保留一半的能量，从而将一个单重态激子分裂成两个三重态激子，这个过程叫做单重态裂变。

紧接着，上述分裂后形成的三重态激子转移到第二类分子（如上图示中的8羟基喹啉），该第二类分子可以利用这些三重态激子的能量发射近红外光。在目前的工作中，研究人员能够将电荷空穴对转换为100.8％三重态激子，这表明100％不再是激子产生效率的限制。尽管单重态裂变现象之前已在有机太阳能电池（OPV）应用中观察到，但是用于OLED尚属首次。

此外，通过对比近红外发射谱和器件暴露于不同磁场后剩余单重态激子产生的痕量可见光发射谱，研究人员还可以很容易地评估单重态裂变效率，通常该裂变效率很难估计。

“近红外光在生物和医学应用以及通信技术中发挥着关键作用，”OPERA主任Chihaya Adachi说。“我们发现单重态裂变原理可用于OLED产品，这是一条克服挑战进而开发出一种高效近红外OLED产品的新途径，它将很快能在实际产品中被应用。”

在该项目的早期工作中，整体的激子产生效率仍然相对较低，因为传统近红外波段有机发射材料的发射效率还很低，当然，这个发射效率总是限制在最高100％以下。尽管如此，这种新方法还是提供了一种在不改变发射体分子的前提下提高激子产生效率和光发射强度的方法。另外，研究人员也正在研究改进发射体分子本身。

随着进一步的改进，研究人员希望激子的生产效率高达125％，这将成为下一个限制，因为OLED材料在通电后产生25％的单重态激子和75％的三线态激子。在此之后，他们考虑进一步将上述75％的三线态激子转换为单重态，这种方案可能最终实现200％的量子效率。