Nära-infraröda sändare (NIR) kommer att vara av avgörande betydelse för en mängd olika biomedicinska, säkerhets- och försvarsansökningar, samt för (o)synligt ljuskommunikation och internet-of-things (IoT). Forskare från Storbritannien och Italien har utvecklat porfyrinoligomer NIR-emittrar som ger hög effektivitet trots att de är helt fria från tungmetaller. De visade organiska ljusemitterande dioder (OLED) vid 850 nm med 3,8 % maximal extern kvanteffektivitet, tillsammans med en ny kvantitativ modell för enhetseffektivitet.

Förmågan att manipulera nära-infraröd (NIR) strålning har potential att möjliggöra en uppsjö av tekniker inte bara för den biomedicinska sektorn (där halvtransparensen hos mänsklig vävnad är en klar fördel) utan också för säkerhet (t.ex. biometri) och IKT (information) och kommunikationsteknik), med den mest uppenbara applikationen för (nästan eller i) kommunikation med synligt ljus (VLC) och relaterade konsekvenser, inklusive den förestående Internet of Things (IoT)-revolutionen. Jämfört med oorganiska halvledare, organiska NIR-källor erbjuder billig tillverkning över stora ytor, mekanisk flexibilitet, anpassningsbarhet, och, potentiellt, biokompatibilitet.

Dock, utsläppseffektiviteten för organiska utsläpp i NIR hindras av de skadliga effekterna av vissa typer av aggregation/packning av utsläpparna i fast tillstånd och av den allmänt observerade ökningen av icke-strålningshastigheter vid minskning av energiklyftan (EG), dvs den så kallade "energigap-lagen" (EG-lagen) för strålningsfria övergångar. Hybrida organiska/oorganiska innovativa material som perovskitmetylammoniumblyhalogenid och kvantprickar kan erbjuda ett alternativ med hög extern kvanteffektivitet (EQE), men deras tungmetallinnehåll kommer att förhindra att de används i de flesta applikationer, speciellt biokompatibla eller bärbara sådana. Toxicitetsproblem kan också påverka fosforescerande material som innehåller giftiga tunga ämnen.

I en ny artikel publicerad i Ljus:Vetenskap och applikationer , ett internationellt team av forskare, ledd av professor Franco Cacialli vid University College London och professor Harry Anderson vid University of Oxford rapporterar nya giftfria och tungmetallfria organiska NIR-utsläpp och OLED-kännetecknade av utsläppstopp vid ~ 850 nm och högst 3,8% extern kvanteffektivitet (EQE).

Författarna använder optisk spektroskopi för att belysa hur det är möjligt att utnyttja den ökande rumsliga omfattningen av exciterade tillstånd med oligomerlängd för att gynnsamt manipulera konkurrensen mellan strålnings- och icke-strålningsprocesser (kvantifierade genom de strålnings- och icke-strålningshastigheter, kr respektive knr), samtidigt som aggregation undertrycks. Förvånande, istället för ett minskande fotoluminescenskvantutbyte (PLQY) med oligomerlängd (och därmed med minskande gap), en stadig ökning och eventuell mättnad av PLQY observeras runt hexameren (l-P6(THS)).

Medan överraskande, detta beteende kan förstås genom att överväga att i dessa system tillåter konjugerade trippelbindningsbaserade bryggor mellan porfyrinerna effektiv intramolekylär elektronisk koppling mellan makrocyklerna, och på så sätt möjliggöra för det strålande (singlet) exciterade tillståndet (exciton) att delokaliseras över ökande delar av molekylen. Detta tvingar fram en ökande missanpassning av den rumsliga utsträckningen av de strålande (singlet) och de icke-strålande (triplett) excitonerna, med tanke på trillingarnas inneboende lokaliserade natur. En sådan missanpassning förväntas undertrycka intersystem crossing (ISC) mellan singletter och tripletter och därför den icke-strålande hastigheten (knr). Dessutom, exciton-delokalisering förväntas också gynna frikoppling från vibrationsstegar (och därmed kringgå EG-lagen).

Anmärkningsvärt, tillväxten av den icke -strålande hastigheten som en funktion av minskningen av energiklyftan (tvingad av den ökade oligomerlängden) kännetecknas i dessa system av en logaritmisk hastighet av en storleksordning mindre än i tidigare studier. Andra, skrymmande trihexylsilylsidokedjor är fästa vid porfyrinerna för att förhindra att aggregeringen dämpas, genom steriskt hinder, vilket begränsar π-π-interaktioner (se kemisk struktur i figur 1).

Det grundläggande genombrottet för fotofysik och materialdesign har bekräftats genom att införliva en F8BT:l-P6(THS) blandning i OLED, med vilken en genomsnittlig EQE på 1,1 % och en maximal EQE på 3,8 % vid en toppvåglängd på 850 nm visades (Figur 2). En ny kvantitativ modell utvecklades också för att analysera resultaten, vilket innebär triplets betydelse för singlets omvandlingsprocesser (t.ex. omvänd intersystemsövergång, och/eller termiskt aktiverad fördröjd fluorescens) för att ta hänsyn till EQE-värdena bortom den uppenbara gränsen som åläggs av spin-statistik.

De EQE som presenteras i tidningen är, efter vad författarna vet, den högsta rapporterade hittills i detta spektralområde från en "tungmetallfri" fluorescerande emitter.

Författarna sammanfattar betydelsen av deras arbete, Noterar att, "Våra resultat visar inte bara mildare ökningar av knr med (reducerande) EG än i litteraturen, men, viktigast, de ger också en allmän strategi för att designa NIR-sändare med hög luminans."

"På kort sikt, de kan möjliggöra ytterligare utveckling av OLED:er i detta utmanande spektralområde för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar som spänner från livsvetenskaperna (biokemiska bärbara sensorer, in vivo bioavbildning under ytan, för att bara nämna två), säkerhet (t.ex. biometri), hortikultur, och (o)visible light communications (iVLC), en seriös tävlande för att lindra bandbreddskraven från den förestående Internet-of-thing-revolutionen (IoT).

"Mer viktigt, och i perspektiv, dessa fynd är viktiga för en rad olika discipliner."