För att effektivt kombinera två lågenergifotoner till en högenergifoton måste energin kunna hoppa fritt, men inte för snabbt, mellan slumpmässigt orienterade molekyler i ett fast ämne. Denna upptäckt från Kobe University ger en välbehövlig designriktlinje för att utveckla material för effektivare PV-celler, skärmar eller till och med anti-cancerterapier.
Ljus av olika färger har olika energier och är därför användbart för väldigt olika saker. För utvecklingen av effektivare PV-celler, OLED-skärmar eller anti-cancerterapier är det önskvärt att kunna uppgradera två lågenergifotoner till en högenergifoton, och många forskare världen över arbetar med material för denna upp- konvertering.
Under denna process absorberas ljus av materialet, och dess energi delas runt bland materialets molekyler som en så kallad "triplettexciton". Det var dock oklart vad som gör det möjligt för två triplettexcitoner att effektivt kombinera sina energier till ett annat exciterat tillstånd av en enda molekyl som sedan avger en högenergifoton, och denna kunskapslucka har varit en allvarlig flaskhals i utvecklingen av sådana material.
Kobe University fotoforskare Kobori Yasuhiro och hans forskargrupp har arbetat på en egenskap som kallas "elektronspintillstånden" för rörliga och interagerande exciterade tillstånd. De insåg att deras expertis var precis vad som behövdes för att lösa problemet med uppkonvertering och tillämpade det på ett material som var särskilt lämpligt för deras analys.
Yasuhiro förklarar, "I lösningssystem är det svårt att observera de magnetiska egenskaperna hos elektronsnurrarna på grund av höghastighetsrotationen av molekylerna, och i konventionella solid-state-system är reaktionseffektiviteten för låg för elektronspinresonansstudier . Det tunnfilmsfasta materialet som användes i vår studie var dock lämpligt för att observera de magnetiska egenskaperna hos elektronsnurr och generera tillräckliga triplettexcitonkoncentrationer."
Deras resultat, nu publicerade i The Journal of Physical Chemistry Letters , visar att för överföring av energier till en ljusemitterande molekyl, måste elektronspintillstånden för två triplettexcitoner vara inriktade, vilket beror på den relativa orienteringen av de deltagande molekylerna.
För att det ska hända med hög sannolikhet måste dock triplettexcitonerna kunna röra sig mellan molekyler med många olika orienteringar. Dessutom får denna hoppning inte vara för snabb, så det finns tillräckligt med tid för omvandlingen av olika exciterade tillstånd.
Yasuhiro förklarar, "Vi observerade först direkt tidsutvecklingen av elektronspintillståndet inuti uppkonverteringsmaterial i fasta tillståndssystem, modellerade sedan den observerade elektronspinrörelsen och föreslog slutligen en ny teoretisk modell för hur elektronspintillståndet relaterar till uppkonverteringsprocessen."
Dessa resultat ger slutligen en riktlinje för hur man designar högeffektiva fotonuppkonverteringsmaterial som är baserade på kunskapen om processens mikroskopiska mekanism.
"Jag förväntar mig att denna kunskap kommer att bidra till utvecklingen av högeffektiva solceller för att lindra våra energiproblem, men också att expandera till ett brett spektrum av områden som fotodynamisk cancerterapi och diagnostik som använder nära-infrarött ljus för optisk uppkonvertering utan att skada människokroppen", säger Yasuhiro.
Mer information: Kobori Yasuhiro et al, Efficient Spin Interconversion by Molecular Conformation Dynamics of a Triplet Pair for Photon Up-Conversion in an Amorphous Solid, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03602
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry Letters
Tillhandahålls av Kobe University
