Science：这张膜，会发光！
米测MeLab
2025-03-21
编辑总结
在半导体材料中引入手性以实现高水平的圆偏振光发光（CPL）引起了广泛关注。目前，效率较高的有机发光二极管（OLED）系统采用空间上分离的发光分子与载体的组合，导致CPL水平较低。此前尝试建立均匀手性超分子序列的做法与优化的OLED器件架构不兼容。本研究找到了一种方法，通过三氮杂三芳烯分子制造出具有手性超分子纳米结构的均匀薄膜。这一方法与OLED制造兼容，并展示了强烈的绿色CPL。这项工作为由圆偏振光驱动的有机电子学发展开辟了新的方向。——Yury Suleymanov
研究背景
OLED（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示、有机发光半导体（Organic Electroluminescence Display，OLED）。OLED属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。 一般而言，OLED可按发光材料分为两种：小分子OLED和高分子OLED（也可称为PLED）。当前研究表明，现有的有机发光二极管（OLED）技术使用分子载体中的发光分子，从而产生光源。鉴于此，英国剑桥大学卡文迪什实验室Rituparno Chowdhury，Richard H. Friend&埃因霍温理工大学E. W. Meijer团队合作在Science期刊上发表了题为“Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films”的最新论文。他们报告了一种手性有序超分子组装体中的绿色圆偏振光发光（CPL），该系统中三氮杂三芳烯（TAT）具有24%的不对称性。作者发现，TAT分子自组装成具有六分子螺距的螺旋结构，赋予价带和导带角动量，从而实现了观察到的CPL。他们通过共升华法将TAT作为“客体”与结构不匹配的“载体”结合，使得薄膜的制造得以实现，在此过程中通过热触发的掺杂物与载体的纳米相分离实现了手性结晶，并保持了薄膜的完整性。该OLED显示出最高16%的外量子效率和≥10%的电致发光不对称性。真空沉积手性超结构为探索手性驱动的光学和传输现象开辟了新的机遇。
研究亮点
（1）实验首次通过热诱导相分离法在真空升华的载体-掺杂薄膜中成功制造了手性超分子纳米结构，得到了绿色圆偏振光发光（CPL）。该方法通过将三氮杂三芳烯（TAT）分子自组装成手性螺旋结构，赋予了激子轨道角动量，产生了高不对称性的电致发光（gEL ~ 10−1）。（2）实验通过结合高效OLED器件与高不对称性的电致发光，取得了显著的结果。采用这种手性超分子结构的OLED显示出高外量子效率（EQEmax ~ 16%）和高亮度（Lmax > 5 × 10⁴ cd m−²），证明了该方法在提升OLED性能方面的有效性。此外，这项研究还展示了手性超分子结构在高效OLED中的应用潜力，为基于手性驱动的光学和传输现象提供了新的探索机会。（3）通过此研究，成功实现了在保持器件性能的同时，显著提高了EL不对称性，突破了传统OLED中器件性能与EL不对称性之间的权衡限制，推动了圆偏振有机发光二极管（CP-OLED）技术的发展。
图文解读
结论展望
总之，本文提出了一种高效OLED制造方案，该方案包含手性结构，能够产生圆偏振发射，同时不降低效率和亮度。通过真空共升华的客体-载体系统，选择性地使其在手性结构中进行原位结晶，从而实现了可控的薄膜加工，这一方法与OLED制造完全兼容。其他实现LED圆偏振发射的方法使用了自旋选择性电极，如磁偏振金属自旋注入器和手性自旋注入的二维金属卤化物钙钛矿。本文展示了一种分子结构，其中CPL来源于电子能带结构，不需要自旋-轨道耦合（如最近在二维钙钛矿中提到的Rashba分裂）。这一结果可能具有广泛的应用前景：圆偏振发射在LED显示中的光控制具有潜在价值，并为探索自旋选择性输运过程提供了机会。 Rituparno Chowdhury et al. ,Circularly polarized electroluminescence from chiral supramolecular semiconductor thin films.Science387,1175-1181(2025).DOI:10.1126/science.adt3011
