台大有機電致發光研究 突破「能量間隔定律」瓶頸(圖)

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。