科學家開創有機半導體短波紅外電致發光新方向

近日，華南理工大學材料科學與工程學院教授吳宏濱團隊聯合西安近代化學研究所、香港城市大學和北京大學等團隊合作，創造性地提出利用目前成為有機光伏電池受體材料的給體-受體-給體（A-D-A）型稠環有機半導體作為發光材料，制備高性能短波紅外發光二極管，開創有機半導體短波紅外電致發光新研究方向。相關研究發表于《自然·光子學》。

短波紅外（或稱為近紅外Ⅱ區）一般指波長范圍在1000至1700納米之間的電磁輻射。目前技術上可用的短波紅外光源主要是一些基于量子阱（QWs）或量子點（QDs）結構的III-V族III-V族無機半導體（主要是InGaAs/InP等）LEDs和相應的激光器，這些基于晶格適配設計的異質結構，往往依賴分子束外延（MBE）以及金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等方法制備，條件苛刻、工藝復雜、價格昂貴，且難以制備成均勻的面光源。利用有機半導體材料制備的短波紅外發光器件，具有材料結構方便可調、器件制作工藝簡單、易于制備大面積/柔性器件等突出的優勢，有潛力成為短波紅外輻射材料與器件有發展前景的候選體系和新的發展方向之一。

過去三十年間，有機發光二極管技術（OLEDs）在可見光和近紅外波段已取得長足進步，在信息顯示、半導體照明等領域得到廣泛應用。然而，發射波長峰值在短波紅外波段、輻射強度具備實用價值的高亮度有機發光器件仍然是一個多年來從未突破過的技術難題。其根本原因在于，伴隨著半導體帶隙的降低，有機半導體中電子-聲子耦合增強，表現為激發態-基態之間的振動弛豫加速，無輻射躍遷速率指數增加，導致短波紅外發射極其微弱。

受半導體材料中光吸收和發射過程存在倒易關系啟發，研究團隊創造性地提出利用目前成為有機光伏電池受體材料的給體-受體-給體（A-D-A）型稠環有機半導體作為發光材料，制備高性能短波紅外發光二極管。A-D-A型非富勒烯電子受體具有便于化學結構調控，分子內電荷轉移效應強，分子平面性和剛性好，電子離域增強，光物理特性和電子結構特性突出等顯著特點，在光伏器件應用中呈現光子能量損失小等特質，是近年來有機光伏領域突破的關鍵因素。

研究團隊緊密合作，結合激發態和光物理分析，發現了若干發光光譜范圍覆蓋900-1400納米的高性能短波紅外發光分子，其光致發光效率在0.1%-10%的范圍，遠高于該領域此前認知。通過量子化學計算，光物理特性、電子結構特性實驗測量，并結合對分子的輻射躍遷速率及非輻射躍遷速率的計算，研究團隊發現，材料分子構型、激發態性質、電子-聲子相互作用和光物理性質等要素對其發光性質、器件性能有重要影響。

該研究通過化學修飾調控和優化稠環受體分子的結構，為獲得高亮度的短波紅外電致發光奠定重要的分子結構基礎和材料物理基礎。研究涉及的一系列有機半導體中，其中最有代表性的分子IDSe-4Cl，發光范圍覆蓋900-1300nm短波紅外波段，該分子骨架較強的平面性和剛性，能很好地限制原子振動。此外，研究人員通過重原子硒（Se）、氯（Cl）取代進一步減緩原子振動，最大程度降低分子的無輻射振動損耗，提高輻射效率。

經測試，IDSe-4Cl分子的薄膜熒光量子效率（PLQY）為1.12%，短波紅外發光器件的外量子效率（EQE）達到0.13%。尤為更重要的是，器件工作電壓極低且最大輻射度（Radiance）高達12.4 W sr-1 m-2（對應紅外輻射通量密度為3.9 mW cm-2），達到了太陽紅外輻射光強的7%，是此前文獻報道最高值的60倍，并能夠在高功率下持續工作上千小時，為滿足各種應用場景的需要奠定了良好基礎。團隊利用研發的原型短波紅外光源用于實現透過生物組織的光通信和穿透式晶圓、集成電路板檢測等，展示了這類短波紅外器件的獨特應用場景和實用化水平。

該研究工作不僅在實驗上發現了A-D-A類型有機半導體優異的短波紅外電致發光特性，開啟了一個具有廣闊應用前景的領域，同時豐富了針對有機短波紅外發光材料特性首創的光物理分析方法，闡明了該類材料具有優異發光特性的光物理基礎和材料科學基礎，為利用有機半導體實現新的性能跨越提供了新的策略和思路。