Illustration av singletfissionsprocessen som används för att öka antalet excitoner i en OLED och bryta gränsen på 100 procent för excitonproduktionseffektivitet. Det emitterande lagret består av en blandning av rubrenmolekyler, som är ansvariga för singelklyvning, och ErQ 3 molekyler, som producerar utsläppen. En singlett exciton, som skapas när en positiv laddning och en negativ laddning kombineras på en rubrenmolekyl, kan överföra hälften av sin energi till en andra rubrenmolekyl genom processen med singlettklyvning, vilket resulterar i två triplettexcitoner. Triplettexcitonerna överförs sedan till ErQ 3 molekyler, och excitonenergin frigörs som nära-infraröd emission av ErQ 3 . Kredit:William J. Potscavage Jr.
Forskare vid Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) i Japan har visat ett sätt att dela energi i organiska lysdioder (OLED) och överträffa 100-procentsgränsen för excitonproduktion, öppnar en lovande ny väg för att skapa lågkostnads och högintensiva nära-infraröda ljuskällor för avkännings- och kommunikationstillämpningar.
OLED:er använder lager av kolhaltiga organiska molekyler för att omvandla elektriska laddningar till ljus. I vanliga OLED:er, en positiv laddning och en negativ laddning går samman på en molekyl och bildar ett energipaket som kallas exciton. En exciton kan frigöra sin energi för att skapa högst en foton.
När alla laddningar bildar excitoner som avger ljus, en maximal intern kvanteffektivitet på 100 procent uppnås. Dock, den nya tekniken använder en process som kallas singlet fission för att dela energin från en exciton i två, gör det möjligt att överskrida gränsen på 100 procent för effektiviteten av att omvandla laddningspar till excitoner, även känd som excitonproduktionseffektiviteten
"Förenklat uttryckt, vi inkorporerade molekyler som fungerar som förändringsmaskiner för excitoner i OLED. I likhet med en växlingsmaskin som omvandlar en 10-dollarsedel till två 5-dollarsedlar, molekylerna omvandlar en dyr, högenergi exciton till två halva priset, lågenergi excitoner, " förklarar Hajime Nakanotani, docent vid Kyushu University och medförfattare till uppsatsen som beskriver de nya resultaten.
Excitoner finns i två former, singlar och trillingar, och molekyler kan bara ta emot singletter eller tripletter med vissa energier. Forskarna övervann gränsen på en exciton per laddningspar genom att använda molekyler som kan acceptera en triplettexciton med en energi som är hälften av energin av molekylens singlettexciton.
I sådana molekyler, singletten kan överföra hälften av sin energi till en närliggande molekyl samtidigt som den behåller hälften av energin för sig själv, vilket resulterar i skapandet av två tripletter från en singlett. Denna process kallas singlet fission.
Triplettexcitonerna överförs sedan till en andra typ av molekyl som använder energin för att avge nära-infrarött ljus. I detta arbete, forskarna kunde omvandla laddningsparen till 100,8 procent trillingar, indikerar att 100 procent inte längre är gränsen. Detta är den första rapporten om en OLED som använder singlet fission, även om det tidigare har observerats i organiska solceller.
Vidare, forskarna kunde enkelt utvärdera singelklyvningseffektiviteten, vilket ofta är svårt att uppskatta, baserat på jämförelse av den nära-infraröda emissionen och spårmängder av synlig emission från kvarvarande singletter när enheten utsätts för olika magnetfält.
"Nära-infrarött ljus spelar en nyckelroll i biologiska och medicinska tillämpningar tillsammans med kommunikationsteknik, " säger Chihaya Adachi, direktör för OPERA. "Nu när vi vet att singlet fission kan användas i en OLED, vi har en ny väg för att potentiellt övervinna utmaningen att skapa en effektiv nära-infraröd OLED, som skulle få omedelbar praktisk användning."
Hajime Nakanotani (vänster), Ryo Nagata (mitten), och Chihaya Adachi (höger) vid Kyushu Universitys Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) rapporterade en nära-infraröd OLED som använder singlet fission för att öka andelen excitoner som skapas per par elektriska laddningar till över 100 procent. Med hjälp av den avbildade elektromagnetiska, forskarna utvärderade effektiviteten av singletfission baserat på förändringar i OLED-emissionen med olika applicerade magnetfält. Kredit:Ko Inada
Den totala effektiviteten är fortfarande relativt låg i detta tidiga arbete eftersom nära-infraröda emissioner från organiska sändare traditionellt är ineffektiva, och energieffektivitet kommer, självklart, alltid begränsas till högst 100 procent. Ändå, denna nya metod erbjuder ett sätt att öka effektiviteten och intensiteten utan att ändra emittermolekylen, och forskarna tittar också på att förbättra själva emittermolekylerna.
Med ytterligare förbättringar, forskarna hoppas kunna få excitonproduktionseffektiviteten upp till 125 procent, vilket skulle vara nästa gräns eftersom elektrisk drift naturligtvis leder till 25 procent singletter och 75 procent tripletter. Efter det, de överväger idéer för att omvandla tripletter till singletter och eventuellt nå en kvanteffektivitet på 200 procent.
