Un gruppo di ricerca ha sviluppato un nuovo ed altamente efficiente meccanismo di luminescenza di conversione ascendente mediante luminescenza indotta dalla microscopia a tunneling (STM) per osservare per la prima volta un fenomeno di elettroluminescenza di conversione di conversione (UCEL) a singola molecola straordinariamente luminoso. I risultati sono pubblicati in Nature Communications.
L'UCEL è un tipo di fenomeno in cui un materiale emette fotoni ad alta energia sotto eccitazione elettronica a bassa energia. Una comprensione approfondita dei micromeccanismi di queste interazioni e dei microprocessi di conversione dell'energia è fondamentale per espandere le applicazioni del processo di upconversion nei dispositivi optoelettronici organici, nonché nella fotosintesi.
I ricercatori sono stati guidati dal Prof. Zhenchao Dong dell’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) dell’Accademia cinese delle scienze. Il gruppo del Prof. Dong si dedica da tempo allo sviluppo di una tecnica di accoppiamento che combina la caratterizzazione ad alta risoluzione spaziale degli STM con il rilevamento altamente sensibile mediante tecniche ottiche, che fornisce un potente mezzo per osservare e modulare i comportamenti optoelettronici delle molecole a livello di singola molecola.
Sebbene limitata dall'inefficienza dell'eccitazione dello scattering anelastico degli elettroni, l'efficienza della luminescenza di upconversion della singola molecola proposta dal gruppo è molto bassa. Inoltre, meccanismi efficienti di luminescenza di upconversion nei sistemi macroscopici, come l'annichilazione tripletta-tripletta e l'effetto Oechs, sono difficili da funzionare efficacemente nei sistemi a singola molecola. Pertanto, ottenere un UCEL efficiente a molecola singola è ancora una sfida.
Combinando la tecnologia della luminescenza indotta da STM e l'ingegneria controllata dell'allineamento del livello di energia nell'interfaccia della singola molecola, il team è riuscito a migliorare l'efficienza dell'UCEL a singola molecola di oltre un ordine di grandezza rispetto a quanto riportato in precedenza. Sorprendentemente, hanno scoperto che l'intensità della luminescenza di conversione ascendente di una singola molecola misurata con bias di conversione superiore supera addirittura quella dell'elettroluminescenza con bias di conversione normale.
I ricercatori hanno scoperto che le limitazioni dello scattering inefficiente ed anelastico di elettroni-molecole potrebbero essere eliminate attraverso la messa a punto dell'allineamento del livello energetico all'interfaccia molecolare, realizzando un nuovissimo meccanismo di eccitazione di upconversion ad alta efficienza che coinvolge l'iniezione del portatore puro processo.
Il meccanismo può fare buon uso dello stato di tripletto di spin di una singola molecola, degli stati di carica anionica e cationica, ecc., e questi sono stati impostati come stati intermedi. In base al meccanismo, l'energia di due elettroni tunneling a bassa energia è stata trasferita nella molecola in sequenza attraverso un processo di iniezione del vettore in più fasi, ottenendo un'eccitazione efficiente di UCEL dagli eccitoni della molecola singoletta con tripletta di spin.
Secondo il nuovo meccanismo proposto dal Prof. Dong e colleghi, l'efficienza della luminescenza di upconversion è di oltre due ordini di grandezza superiore rispetto all'efficienza della luminescenza di upconversion precedentemente riportata che coinvolge processi di scattering anelastici.
I ricercatori hanno inoltre sviluppato ulteriormente un modello teorico basato sull'equazione principale quantistica e costruito una mappa dell'elettroluminescenza per comprendere l'efficienza della luminescenza delle singole molecole in relazione all'allineamento dei livelli di energia.
Questo modello non solo ha visualizzato i prerequisiti per ottenere un'efficiente luminescenza di conversione ascendente, ma ha anche rivelato la dipendenza dell'elettroluminescenza di una singola molecola dal bias e dall'allineamento dei livelli di energia.
Lo studio migliora l'efficienza dell'elettroluminescenza di upconversion di una singola molecola e fornisce una nuova comprensione del processo di conversione elettro-ottica non lineare su scala di singola molecola.
Ulteriori informazioni: Yang Luo et al, Elettroluminescenza di conversione di una singola molecola anomalamente brillante, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45450-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina
