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化學系周必泰教授研究團隊 成果登頂級期刊Nature Photonics

更新日期:112年1月4日

圖1

期刊封面。

臺大化學系教授周必泰研究團隊,成功將團隊本身所保持的有機強放光世界紀錄,一舉突破到1000奈米。此傑出的研究成果已於2022年10月10日正式發表於國際光電頂尖的「自然光電」Nature Photonics期刊。

近紅外 (NIR) 波長在1000~1700 nm的範圍俗稱紅外二區 (NIR(II)) ,在生醫領域上,它可以穿過皮膚組織以及血管做深層成像檢測;此外,因為吸收損失少,它也是光纖科技在資訊傳遞上的重要波長範圍。紅外二區放光材料若要考量未來更普遍的應用性,則具多樣性的有機分子材料是最佳的選擇。但發展瓶頸一直被「能隙定律」 (energy gap law) 所限制,也就是有機分子當激發態(excited state)和基態(around state)之間的放光能量差,也就是所謂的「能隙」愈低時,激子 (exciton) ─ 振動 (vibration) 的耦合也就愈強,導致激子轉為熱能消散。紅外二區的能隙比可見光區低很多,所以有機分子材料在紅外二區其放光產率接近於零。如何讓有機分子在紅外二區有強放光性質,在國際光電科研上被認為是一個不可能達成的任務。

為了化不可能為可能,周必泰教授團隊自2017年起從理論基礎出發,思考若耦合是不可避免發生的定律,那麼是否可以經由其他方式,來有效降低有機材料激子/振動的耦合強度,進而減低熱消散的發生機率。團隊與新竹清華大學教授季昀、海洋大學教授洪文誼以及國影同步輻射中心莊偉綜博士合作,利用鉑金屬錯合物配位基分子的更加平面化,以及將有機化合物中的氫原子用氘置換,也就是所謂的氘化,一舉突破團隊2020年發表在自然光電的世界紀錄 840-930 奈米,在分子的放光原理及設計上做出突破性的國際性貢獻,刊登於「自然光電」Nature Photonics期刊。

本研究突破性在於,因為1000奈米放光能隙已經非常靠近高頻如C-H振動的低能階範圍,單純利用過去堆疊分子方式來減低耦合強度,已不足以讓被激發的分子以光能形式釋出。周教授團隊成功將整個分子氘化,透過碳氫鍵之氫原子氘化進一步降低耦合熱消散速率。透過分子堆疊加上全面性的氘化,成功突破能隙定律在紅外二區的桎梏。依此設計出的電致發光元件 (OLED) ,其放光波長已達到1000奈米,內部量子產率達21%,外部4.2%,皆為世界紀錄。未來將挑戰前所未有的有機分子紅外三區範圍 (1700-2000 nm) 的放光領域,並將現有成果商業化,歡迎學界及業界一起共襄盛舉。

研究成果全文:https://www.nature.com/articles/s41566-022-01079-8

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