Effektive fluorescerende materialer og OLED'er til NIR

Nær-infrarøde emittere (NIR) vil være af afgørende betydning for en række biomedicinske, sikkerheds- og forsvarsapplikationer, samt til (u)synligt lys-kommunikation og internet-of-things (IoT). Forskere fra Storbritannien og Italien har udviklet porphyrin-oligomer NIR-emittere, som giver høj effektivitet på trods af at de er helt fri for tungmetaller. De demonstrerede organiske lysemitterende dioder (OLED'er) ved 850 nm med 3,8 % maksimal ekstern kvanteeffektivitet, sammen med en ny kvantitativ model for enhedseffektivitet.

Evnen til at manipulere nær-infrarød (NIR) stråling har potentialet til at muliggøre en overflod af teknologier, ikke kun til den biomedicinske sektor (hvor semitransparensen af ​​menneskeligt væv er en klar fordel), men også for sikkerhed (f.eks. biometri) og IKT (information) og kommunikationsteknologi), hvor den mest oplagte anvendelse er til (næsten eller inde) kommunikation med synligt lys (VLC'er) og relaterede konsekvenser, herunder den forestående Internet of Things (IoT) revolution. Sammenlignet med uorganiske halvledere, organiske NIR-kilder tilbyder billig fremstilling over store områder, mekanisk fleksibilitet, overensstemmelse, og, potentielt, biokompatibilitet.

Imidlertid, emissionseffektiviteten af ​​organiske emittere i NIR hindres af de skadelige virkninger af visse typer aggregering/pakning af emitterne i fast tilstand og af den generelt observerede stigning i ikke-strålingshastigheder ved reduktion af energigabet (EG), altså den såkaldte "energigap-lov" (EG-lov) for strålingsfri overgange. Hybride organiske/uorganiske innovative materialer såsom perovskit methylammonium blyhalogenid og kvanteprikker kan tilbyde et alternativ med høj ekstern kvanteeffektivitet (EQE), men deres tungmetalindhold vil forhindre deres brug i de fleste applikationer, især biokompatible eller bærbare. Toksicitetsproblemer kan også påvirke fosforescerende materialer, der indeholder giftige tunge elementer.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , et internationalt hold af videnskabsmænd, ledet af professor Franco Cacialli ved University College London og professor Harry Anderson ved University of Oxford rapporterer nye ikke-toksiske og tungmetalfrie organiske NIR-emittere og OLED'er karakteriseret ved emission, der topper ved ~ 850 nm og en maksimal ekstern kvanteeffektivitet på 3,8 % (EQE).

Forfatterne bruger optisk spektroskopi til at belyse, hvordan det er muligt at udnytte den stigende rumlige udstrækning af exciterede tilstande med oligomerlængde til positivt at manipulere konkurrencen mellem strålings- og ikke-strålingsprocesser (kvantificeret ved de strålings- og ikke-strålingshastigheder, henholdsvis kr og knr), og samtidig undertrykke aggregering. Overraskende nok, i stedet for et faldende fotoluminescenskvanteudbytte (PLQY) med oligomerlængde (og dermed med reducerende mellemrum), en konstant stigning og eventuel mætning af PLQY observeres omkring hexameren (l-P6(THS)).

Selvom det er overraskende, denne adfærd kan forstås ved at overveje, at i disse systemer tillader konjugerede triple-binding-baserede broer mellem porphyrinerne effektiv intramolekylær elektronisk kobling mellem makrocyklerne, og således gøre det muligt for den radiative (singlet) exciterede tilstand (exciton) at delokalisere over stigende dele af molekylet. Dette fremtvinger et stigende misforhold mellem den rumlige udstrækning af de radiative (singlet) og af de ikke-strålende (triplet) excitoner, i lyset af trillingernes iboende lokaliserede karakter. Et sådant misforhold forventes at undertrykke intersystem-krydsning (ISC) mellem singletter og tripletter og derfor den ikke-strålingshastighed (knr). Ud over, exciton-delokalisering forventes også at favorisere afkobling fra vibrationsstiger (og dermed omgå EG-loven).

Bemærkelsesværdigt, væksten af ​​den ikke-strålende hastighed som funktion af reduktionen af ​​energigabet (tvunget af den øgede oligomerlængde) er karakteriseret i disse systemer ved en logaritmisk hastighed en størrelsesorden mindre end i tidligere undersøgelser. Sekund, voluminøse trihexylsilyl-sidekæder er knyttet til porphyrinerne for at forhindre aggregeringsslukning, gennem sterisk hindring, som begrænser π-π interaktioner (se kemisk struktur i figur 1).

Det grundlæggende fotofysiske gennembrud og materialedesign er blevet bekræftet ved at inkorporere en F8BT:l-P6(THS) blanding i OLED'er, hvormed en gennemsnitlig EQE på 1,1 % og en maksimal EQE på 3,8 % ved en maksimal bølgelængde på 850 nm blev demonstreret (figur 2). En ny kvantitativ model blev også udviklet til at analysere resultaterne, hvilket indebærer betydningen af ​​tripletter til singletter konverteringsprocesser (f.eks. omvendt krydsning mellem systemer, og/eller termisk aktiveret forsinket fluorescens) for at tage højde for EQE-værdierne ud over den tilsyneladende grænse pålagt af spin-statistikker.

EQE'erne præsenteret i papiret er, efter forfatterens bedste overbevisning, den højeste rapporterede hidtil i dette spektrale område fra en 'tungmetalfri' fluorescerende emitter.

Forfatterne opsummerer betydningen af ​​deres arbejde, bemærker, at "Vores resultater viser ikke kun mildere stigninger af knr med (reducerende) EG end i litteraturen, men, mest vigtigt, de giver også en generel strategi for design af NIR-emittere med høj luminans."

"På kort sigt, de kan muliggøre yderligere udvikling af OLED'er i dette udfordrende spektralområde til en bred vifte af potentielle anvendelser, der spænder fra biovidenskaberne (biokemiske bærbare sensorer, in vivo bio-billeddannelse under overfladen, for blot at nævne to), sikkerhed (f.eks. biometri), havebrug, og (u)visible light communications (iVLC), en seriøs deltager for at afhjælpe båndbreddekravene fra den forestående Internet-of-thing (IoT) revolution."

"Vigtigere, og i perspektiv, disse resultater er vigtige for en række discipliner."