Pesquisadores observam fenômeno de eletroluminescência de conversão ascendente de molécula única anormalmente brilhante

Ajustando tensões de acionamento para UCEL com brilho anômalo. Crédito:USTC

Um grupo de pesquisa desenvolveu um novo e altamente eficiente mecanismo de luminescência de conversão ascendente por meio da luminescência induzida por microscopia de tunelamento de varredura (STM) para observar pela primeira vez um fenômeno de eletroluminescência de conversão ascendente de molécula única extraordinariamente brilhante (UCEL). Os resultados são publicados na Nature Communications.

UCEL é um tipo de fenômeno no qual um material emite fótons de alta energia sob excitação eletrônica de baixa energia. Uma compreensão aprofundada dos micromecanismos dessas interações e dos microprocessos de conversão de energia é crucial para expandir as aplicações do processo de conversão ascendente em dispositivos optoeletrônicos orgânicos, bem como na fotossíntese.

Os pesquisadores foram liderados pelo Prof. Zhenchao Dong da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências. O grupo do Prof. Dong há muito se dedica ao desenvolvimento de uma técnica de acoplamento que combina caracterização de alta resolução espacial de STM com detecção altamente sensível por técnicas ópticas, que fornece um meio poderoso de observar e modular os comportamentos optoeletrônicos de moléculas em um nível de molécula única.

Embora limitada pela ineficiência da excitação inelástica por espalhamento de elétrons, a eficiência da luminescência de conversão ascendente de molécula única proposta pelo grupo é muito baixa. Além disso, mecanismos eficientes de luminescência de conversão ascendente em sistemas macroscópicos, como a aniquilação tripleto-tripleto e o efeito Oechs, são difíceis de funcionar efetivamente em sistemas de molécula única. Conseqüentemente, alcançar UCEL de molécula única eficiente ainda é um desafio.

Combinando a tecnologia de luminescência induzida por STM e a engenharia controlada do alinhamento do nível de energia na interface de molécula única, a equipe conseguiu melhorar a eficiência do UCEL de molécula única em mais de uma ordem de grandeza em comparação com o relatado anteriormente. Surpreendentemente, eles descobriram que a intensidade da luminescência de conversão ascendente de molécula única medida sob polarização de conversão ascendente excede até mesmo a da eletroluminescência sob polarização normal.

Os pesquisadores descobriram que as limitações do espalhamento ineficiente e inelástico de moléculas de elétrons poderiam ser eliminadas através do ajuste fino do alinhamento do nível de energia na interface molecular, realizando um novo mecanismo de excitação de conversão ascendente de alta eficiência que envolve a injeção de transportador puro. processo.

O mecanismo pode fazer bom uso do estado tripleto de spin de uma única molécula, dos estados de carga aniônica e catiônica, etc., e estes foram definidos como estados intermediários. Com base no mecanismo, a energia de dois elétrons de tunelamento de baixa energia foi transferida para a molécula sequencialmente através de um processo de injeção de transportador de múltiplas etapas, alcançando excitação eficiente de UCEL de excitons de spin tripleto para excitons de molécula singlete.

De acordo com o novo mecanismo proposto pelo Prof. Dong e colegas, a eficiência de luminescência de conversão ascendente é mais de duas ordens de grandeza maior do que a eficiência de luminescência de conversão ascendente relatada anteriormente envolvendo processos de espalhamento inelástico.

Os pesquisadores também desenvolveram um modelo teórico baseado na equação mestra quântica e construíram um mapa de eletroluminescência para compreender a eficiência da luminescência de moléculas individuais em relação ao alinhamento do nível de energia.

Este modelo não apenas visualizou os pré-requisitos para alcançar uma luminescência de conversão ascendente eficiente, mas também revelou a dependência da eletroluminescência de molécula única no viés e no alinhamento do nível de energia.

O estudo melhora a eficiência da eletroluminescência de conversão ascendente de molécula única e fornece uma nova compreensão do processo de conversão eletro-óptica não linear em escala de molécula única.

Mais informações: Yang Luo et al, Eletroluminescência de conversão ascendente de molécula única anormalmente brilhante, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45450-5
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China

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