En forskargrupp har utvecklat en ny och mycket effektiv luminescensmekanism för uppkonvertering genom skanning av tunnelmikroskopi (STM) inducerad luminescens för att observera ett utomordentligt ljust uppkonverteringselektroluminescensfenomen med en molekyl (UCEL) för första gången. Resultaten publiceras i Nature Communications.
UCEL är ett slags fenomen där ett material avger högenergifotoner under lågenergielektronisk excitation. En djupgående förståelse av mikromekanismerna för dessa interaktioner och mikroprocesserna för energiomvandling är avgörande för att utöka tillämpningarna av uppkonverteringsprocessen i organiska optoelektroniska enheter, såväl som i fotosyntes.
Forskarna leddes av professor Zhenchao Dong från University of Science and Technology of China (USTC) vid Chinese Academy of Sciences. Prof. Dongs grupp har länge ägnat sig åt att utveckla en kopplingsteknik som kombinerar karakterisering av hög rumslig upplösning av STM med mycket känslig detektering med optiska tekniker, vilket ger ett kraftfullt sätt att observera och modulera molekylers optoelektroniska beteenden på en enmolekylnivå.
Även om den begränsas av ineffektiviteten hos oelastisk elektronspridningsexcitation, är effektiviteten hos den enkelmolekylära uppkonverteringsluminescensen som föreslagits av gruppen mycket låg. Dessutom är effektiva uppkonverteringsluminescensmekanismer i makroskopiska system, såsom triplett-triplett-förintelse och Oechs-effekten, svåra att fungera effektivt i system med en enda molekyl. Därför är det fortfarande en utmaning att uppnå effektiv enmolekylär UCEL.
Genom att kombinera STM-inducerad luminescensteknologi och kontrollerad konstruktion av energinivåanpassningen vid enmolekylgränssnittet, lyckades teamet förbättra effektiviteten hos enmolekylär UCEL med mer än en storleksordning jämfört med det som tidigare rapporterats. Överraskande nog fann de att intensiteten hos enmolekyls uppkonverteringsluminescens uppmätt under uppkonverteringsbias till och med överstiger den för elektroluminescens under normal bias.
Forskarna fann att begränsningarna för den ineffektiva oelastiska elektron-molekylspridningen kunde elimineras genom finjustering av energinivåinriktningen vid molekylgränsytan, vilket förverkligade en helt ny högeffektiv uppkonverteringsexcitationsmekanism som involverar den rena bärarinjektionen. process.
Mekanismen kan utnyttja spintripletttillståndet för en enda molekyl, de anjoniska och katjoniska laddningstillstånden, etc., och dessa sattes som mellanliggande tillstånd. Baserat på mekanismen överfördes energin från två tunnelelektroner med låg energi till molekylen sekventiellt genom en flerstegs bärarinjektionsprocess, vilket uppnådde effektiv excitation av UCEL från spintriplett till singlettmolekylexcitoner.
Enligt den nya mekanism som föreslagits av Prof. Dong och kollegor är uppkonverteringsluminescenseffektiviteten över två storleksordningar högre än den tidigare rapporterade uppkonverteringsluminescenseffektiviteten som involverar oelastiska spridningsprocesser.
Forskarna vidareutvecklade också en teoretisk modell baserad på kvantmästarekvationen och konstruerade en elektroluminescenskarta för att förstå luminescenseffektiviteten hos enstaka molekyler i förhållande till energinivåjusteringen.
Denna modell visualiserade inte bara förutsättningarna för att uppnå effektiv uppkonverteringsluminescens, utan avslöjade också beroendet av enmolekylär elektroluminescens på bias och energinivåinriktning.
Studien förbättrar effektiviteten av elektroluminescens för uppkonvertering av en molekyl och ger en ny förståelse för den ickelinjära elektrooptiska omvandlingsprocessen i en molekylskala.
Mer information: Yang Luo et al, Anomalously bright single-molecule upconversion electroluminescence, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45450-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Science and Technology i Kina
