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台大有機電致發光研究 突破半世紀理論瓶頸

2020-07-10 11:12中央社 記者陳至中台北10日電

台灣大學化學系教授周必泰領導的國際研究團隊,近來克服半世紀以來的「能量間隔定律」理論瓶頸,可望讓有機電致發光(OLEDs)應用邁進一大步。

國際頂尖期刊「自然光電 Nature Photonics」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」,獲得學界重視。

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這篇突破性研究始於周必泰於2017年與清華大學教授季昀、林皓武等人合作論文,將OLEDs波長推至740奈米,直到今日這24%的發光效率仍是近紅外OLEDs的世界紀錄。

然而,要繼續推進到近紅外區(700到2000奈米波長),就會遇到「能量間隔定律」理論限制。有機分子發光能量趨近到近紅外區時,原本要放光的激子(exciton)振動波函數,會跟基態高振動的波函數產生干涉作用,產生科學上的「耦合(coupling)」,本該放光的激子經由振動緩解,而以熱的形式消散。

台大團隊設法降低上述「耦合」的強度,尋求突破契機。研究團隊形容,就像是工人用鑽孔機挖路,機器的振動會傳給工人,使工人跟著強烈振動起來,然後經由摩擦的各種小振動轉變為熱,消散出去。如果有3名工人組合在一起鑽孔, 相互之間存在某種作用力關係,讓他們排列的非常整齊,在共振下使鑽孔機的振動由3人分攤,這時每名工人負擔便減弱到1/3,理論上工人越多,效果就越好。

周必泰聯合清大季昀等人,設計合成新穎的鉑金屬化合物,藉著鉑與鉑之間的作用力,讓分子以某種作用力結合方式,一個個有秩序自組裝(self-assembly)在一起,一舉將鉑金屬錯合物的放光波長推到空前的960奈米。

隨後與中國大陸蘇州大學教授廖良生合作,獲得國際上首先突破紅外光至960奈米放光的OLEDs;台灣海洋大學教授洪文誼製成各類薄膜;淡江大學教授徐秀福協助在同步輻射X光的解析下,證實分子在薄膜狀態下具規則性排列。

最後,最艱難的挑戰是證明有多少數目鉑金屬分子排列在一起,產生的激子能有效的和振動去耦合。論文的第一作者、台大化學系博士生魏佑臣,利用先進的雙激子吸收瞬態光譜,求得8至9個鉑金屬化合物排列是有效的激子共振範圍。

在上述團隊成員合作下,理論與實驗相互印證,打破半世紀以來的瓶頸,可望讓OLEDs在近紅外的應用,如生醫紅外影像、紅外線醫療、手機紅外辨識、測距夜視等領域邁進一大步。

台灣大 淡江大學
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