Forskere observerer unormalt lyse enkelt-molekyle opkonvertering elektroluminescens fænomen

En forskergruppe har udviklet en ny og højeffektiv opkonverteringsluminescensmekanisme ved scanning tunneling microscopy (STM) induceret luminescens for at observere et ekstraordinært lyst enkelt-molekyle opkonverteringselektroluminescens (UCEL) fænomen for første gang. Resultaterne er offentliggjort i Nature Communications.

UCEL er en slags fænomen, hvor et materiale udsender højenergifotoner under lavenergielektronisk excitation. En dybdegående forståelse af mikromekanismerne i disse interaktioner og mikroprocesserne for energiomdannelse er afgørende for at udvide anvendelserne af opkonverteringsprocessen i organiske optoelektroniske enheder såvel som i fotosyntese.

Forskerne blev ledet af prof. Zhenchao Dong fra University of Science and Technology of China (USTC) fra Chinese Academy of Sciences. Prof. Dongs gruppe har længe været dedikeret til at udvikle en koblingsteknik, der kombinerer karakterisering af høj rumlig opløsning af STM med meget følsom detektion ved optiske teknikker, som giver et kraftfuldt middel til at observere og modulere molekylers optoelektroniske adfærd på et enkeltmolekyleniveau.

Selvom det er begrænset af ineffektiviteten af ​​uelastisk elektronspredningsexcitation, er effektiviteten af ​​enkeltmolekyle opkonverteringsluminescens foreslået af gruppen meget lav. Desuden er effektive opkonverteringsluminescensmekanismer i makroskopiske systemer, såsom triplet-triplet-udslettelse og Oechs-effekten, vanskelige at fungere effektivt i enkeltmolekylesystemer. Derfor er det stadig en udfordring at opnå effektiv enkeltmolekyle UCEL.

Ved at kombinere STM-induceret luminescensteknologi og kontrolleret konstruktion af energiniveaujusteringen ved enkeltmolekylegrænsefladen lykkedes det for teamet at forbedre effektiviteten af ​​enkeltmolekyle UCEL med mere end én størrelsesorden sammenlignet med det tidligere rapporterede. Overraskende nok fandt de ud af, at intensiteten af ​​enkeltmolekyle opkonverteringsluminescens målt under opkonverteringsbias endda overstiger intensiteten af ​​elektroluminescens under normal bias.

Forskerne fandt ud af, at begrænsningerne af den ineffektive uelastiske elektron-molekyle-spredning kunne elimineres gennem finjustering af energiniveaujusteringen ved den molekylære grænseflade, hvilket realiserede en helt ny højeffektiv opkonverterings-excitationsmekanisme, der involverer den rene bærer-injektion. proces.

Mekanismen kan gøre god brug af spintriplettilstanden af ​​et enkelt molekyle, de anioniske og kationiske ladningstilstande osv., og disse blev sat som mellemtilstande. Baseret på mekanismen blev energien fra to lavenergi-tunnelelektroner overført til molekylet sekventielt gennem en multi-trins bærer-injektionsproces, hvilket opnåede effektiv excitation af UCEL fra spintriplet til singlet-molekyle excitoner.

Ifølge den nye mekanisme foreslået af Prof. Dong og kolleger er opkonverteringsluminescenseffektiviteten over to størrelsesordener højere end den tidligere rapporterede opkonverteringsluminescenseffektivitet, der involverer uelastiske spredningsprocesser.

Forskerne videreudviklede også en teoretisk model baseret på kvantemesterligningen og konstruerede et elektroluminescenskort til at forstå luminescenseffektiviteten af ​​enkelte molekyler i forhold til energi-niveaujusteringen.

Denne model visualiserede ikke kun forudsætningerne for at opnå effektiv opkonverteringsluminescens, men afslørede også afhængigheden af ​​enkeltmolekyle-elektroluminescens af bias og energi-niveaujustering.

Undersøgelsen forbedrer effektiviteten af ​​enkelt-molekyle opkonvertering elektroluminescens og giver en ny forståelse af enkelt-molekyle skala ikke-lineære elektro-optiske konverteringsproces.

Flere oplysninger: Yang Luo et al., unormalt lys, enkelt-molekyle opkonverteringselektroluminescens, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45450-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Science and Technology i Kina