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我國學術界再次打破有機近紅外強放光世界紀錄

在國家科學及技術委員會學術攻頂計畫支持下,臺大周必泰教授研究團隊,成功將團隊本身所保持的有機強放光世界紀錄,由原先的840 奈米一舉突破到1000 奈米。此傑出的研究成果已於今年10月10日正式發表於國際光電頂尖的「自然光電」(Nature Photonics)期刊,未來有望應用於即時生醫影像及生化感測解析,成為穿載式生醫檢測的利器,同時其可降低資訊傳遞吸收損失,提升光纖科技效能,是未來生醫及通訊科技突破性發展不可或缺之基石。 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或啟動藥物作用,也是重要可穿戴式生醫產品(如血氧計、光療貼片)的主要光源;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。目前這區域的放光材料主要為半導體基材以及鑭系金屬相關螢光粉,但其物理性質如光度之間變化時間響應慢及材料選擇有限等,導致應用上有所限制,不利於生醫及光電長遠發展。紅外二區放光材料若要有突破性的進展,以及考量未來更普遍的應用性,具多樣性的有機分子材料是最佳的選擇,而目前此波長的有機發光材料非常罕見。 早在1970 年所提出的「能隙定律」(energy gap law)中已描述到,有機分子從基態被光能或電能激發到電子激發態後,可以放光或放熱的形式回到原來的基態。而有機分子材料在紅外二區在能隙定律中具顯著的熱淬滅效應,理論上其放光產率接近於零,不太可能適合於紅外二區發光應用。因此如何讓有機分子在紅外二區有強放光性質,長久以來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,來有效的降低有機材料激子/振動的耦合強度,進而減低熱消散的發生機率。透過與國立清華大學季昀教授、國立海洋大學洪文誼教授以及國家同步輻射中心莊偉綜博士的合作,本次刊登「自然光電」(Nature Photonics)期刊的論文,是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氘化(將氫以其同位素氘置換),一舉突破團隊2020年發表在自然光電的世界紀錄840 奈米,在分子的放光原理及設計上做出卓著的國際性貢獻。 周教授研究團隊審慎檢視能隙定律理論,量化每個分子之耦合振動效應,透過碳氫鍵之氫原子氘化來進一步降低耦合熱消散速率。透過實證,以分子堆疊加上全面性的氘化,成功的突破能隙定律在紅外二區的桎梏。 據此設計合成製備出的電致發光元件 (OLED),其放光波長已達到1000奈米,內部量子產率達21%,外部4.2%,皆為目前之世界紀錄。周教授表示,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,以及將現有成果商業化,並歡迎有興趣的學者及業者能一起來共襄盛舉。

研究團隊合影為台灣大學研發長李百祺(右6)、國科會自然處羅夢凡處長(右5)、台灣大學化學系周必泰講座教授(右4)、新竹同步輻射中心軟物質科學校組莊偉綜副研究員(右3)、臺灣海洋大學光電材料科技學系洪文誼特聘教授(右2)及台灣大學化學系王聖夫博士生(論文第一作者)(右1)

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研究成果論文連結

Taiwan academia once again broke the world record of organic near-infrared intense emission





主文來源:國家科學及技術委員會_自然科學及永續研究發展處 ECDA資料中心編輯