Un groupe de recherche a développé un nouveau mécanisme de luminescence à conversion ascendante très efficace en utilisant la luminescence induite par microscopie à effet tunnel (STM) pour observer pour la première fois un phénomène d'électroluminescence à conversion ascendante à molécule unique (UCEL) extraordinairement brillant. Les résultats sont publiés dans Nature Communications.

UCEL est une sorte de phénomène dans lequel un matériau émet des photons à haute énergie sous une excitation électronique à faible énergie. Une compréhension approfondie des micromécanismes de ces interactions et des microprocessus de conversion d'énergie est cruciale pour étendre les applications du processus de conversion ascendante dans les dispositifs optoélectroniques organiques, ainsi que dans la photosynthèse.

Les chercheurs étaient dirigés par le professeur Zhenchao Dong de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences. Le groupe du professeur Dong se consacre depuis longtemps au développement d'une technique de couplage combinant une caractérisation à haute résolution spatiale du STM avec une détection hautement sensible par des techniques optiques, ce qui constitue un moyen puissant d'observer et de moduler les comportements optoélectroniques des molécules au niveau d'une seule molécule.

Bien que limitée par l’inefficacité de l’excitation par diffusion électronique inélastique, l’efficacité de la luminescence à conversion ascendante d’une seule molécule proposée par le groupe est très faible. En outre, les mécanismes efficaces de luminescence de conversion ascendante dans les systèmes macroscopiques, tels que l’annihilation triplet-triplet et l’effet Oechs, sont difficiles à fonctionner efficacement dans les systèmes à molécule unique. Par conséquent, obtenir une UCEL efficace à molécule unique reste un défi.

En combinant la technologie de luminescence induite par STM et l’ingénierie contrôlée de l’alignement du niveau d’énergie à l’interface d’une molécule unique, l’équipe a réussi à améliorer l’efficacité de l’UCEL à molécule unique de plus d’un ordre de grandeur par rapport à celui rapporté précédemment. Étonnamment, ils ont découvert que l'intensité de la luminescence de conversion ascendante d'une seule molécule mesurée sous polarisation ascendante dépasse même celle de l'électroluminescence sous polarisation normale.

Les chercheurs ont découvert que les limites de la diffusion inélastique inefficace électron-molécule pourraient être éliminées grâce à un réglage fin de l'alignement du niveau d'énergie à l'interface moléculaire, réalisant ainsi un tout nouveau mécanisme d'excitation de conversion ascendante à haute efficacité qui implique l'injection de porteurs purs. processus.

Le mécanisme peut faire bon usage de l’état triplet de spin d’une seule molécule, des états de charge anionique et cationique, etc., et ceux-ci ont été définis comme états intermédiaires. Sur la base de ce mécanisme, l'énergie de deux électrons tunnel de faible énergie a été transférée séquentiellement dans la molécule via un processus d'injection de porteurs en plusieurs étapes, permettant d'obtenir une excitation efficace de l'UCEL du triplet de spin aux excitons de la molécule singulet.

Selon le nouveau mécanisme proposé par le professeur Dong et ses collègues, l'efficacité de la luminescence par conversion ascendante est supérieure de deux ordres de grandeur à l'efficacité de la luminescence par conversion ascendante précédemment rapportée impliquant des processus de diffusion inélastique.

Les chercheurs ont également développé un modèle théorique basé sur l'équation maîtresse quantique et construit une carte d'électroluminescence pour comprendre l'efficacité de luminescence de molécules uniques par rapport à l'alignement des niveaux d'énergie.

Ce modèle a non seulement visualisé les conditions préalables pour obtenir une luminescence de conversion ascendante efficace, mais a également révélé la dépendance de l'électroluminescence d'une seule molécule à l'égard du biais et de l'alignement du niveau d'énergie.

L'étude améliore l'efficacité de l'électroluminescence à conversion ascendante de molécule unique et fournit une nouvelle compréhension du processus de conversion électro-optique non linéaire à l'échelle d'une molécule unique.

Plus d'informations : Yang Luo et al, Électroluminescence à conversion ascendante d'une molécule unique anormalement brillante, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-45450-5

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Université des sciences et technologies de Chine