在二维材料上分层有机材料可以实现稳定，快速的磷光发射，而无需使用昂贵和危险的重材料塔尔

研究：有机发色团-过渡金属二硫化物杂化体通过空间自旋轨道接近效应的微秒三重态发射（DOI: 10.1038/s41467-024-51501-8）

电视、智能手机或其他显示器的屏幕可以用一种新型有机LED材料制成，这种材料是由密歇根大学（University of Michigan）工程师共同领导的一个国际团队开发的。这种材料保持了鲜明的色彩和对比，同时用一种新的混合材料取代了重金属。

奇怪的是，这种材料似乎也打破了量子规则。

目前市场上的OLED设备包含铱和铂等重金属成分，可以提高屏幕的效率、亮度和颜色范围。但它们也有缺点——成本明显更高，设备寿命更短，对健康和环境的危害也更大。

在oled中，通过更节能的磷光发射的光比荧光更受欢迎，但磷光发生得更慢，在没有重金属成分的情况下需要几毫秒或更长的时间。为了跟上现代显示器的速度，加速磷光在微秒内发生是必要的，现代显示器的运行速度为每秒120帧，而不会产生挥之不去的“幽灵”图像。这是重金属的关键作用。

“我们找到了一种制造磷光有机分子的方法，这种有机分子可以在微秒尺度上发光，而不包括分子框架中的重金属，”密歇根大学材料科学与工程教授、该研究发表在《自然通讯》上的共同通讯作者金金生说。

韩国仁荷大学化学和生物医学科学与工程教授Dong Hyuk Park和成均馆大学先进材料科学与工程教授Sunkook Kim也是共同通讯作者。

荧光和磷光之间的速度差异是由流经OLED材料的电流中的电子滑入分子可用电子轨道内的高能级后所发生的事情驱动的，这被称为激发态——有点像跳上梯子的横档。在荧光中，它们可以立即以光的形式释放能量，跳回到基态。但在磷光中，它们必须先进行转换。

转换与电子的自旋有关。每个电子在基态都有一个伙伴，量子力学规则泡利不相容原理要求它们以相反的方向旋转。但是当一个电子滑入更高的阶时，它最终可以朝任何一个方向旋转，因为每个电子现在都是单独在它的轨道上。它只在四分之一的时间里与它的伴侣保持相对，这就是导致荧光的情况。

磷光的效率是磷光的三倍，因为它也利用了其他75%的激发态电子，但它需要电子在其返回之前翻转其自旋。在传统的磷光材料中，重金属的大原子核产生磁场，迫使相同自旋方向的被激发电子快速转动，从而在返回基态时产生更快的光发射。

这种新材料将一层由钼和硫组成的二维层放置在同样薄的有机发光材料层附近，通过物理接近而没有任何化学结合来达到相同的效果。这种混合结构将光发射速度提高了1000倍，达到了现代显示器所需的速度。

光发射完全发生在有机材料内部，没有弱的金属-有机配体键，这有助于材料持续更长时间。依赖重金属的磷光oled也使用金属来帮助产生颜色，当两个受激发的电子接触时，金属和有机材料之间较弱的化学键可能会破裂，从而使像素变暗。

像素耗尽是高能蓝光的一个特殊问题，这个问题尚未得到解决，但研究小组希望他们的新设计方法可以帮助实现稳定的蓝色磷光像素。目前的oled使用磷光红色和绿色像素以及荧光蓝色像素，以降低能源效率为代价避免了蓝色像素的耗尽。

除了潜在的应用之外，对这种分子杂化系统的分析还测量了一些曾经被认为是不可能的东西——共享轨道的成对电子在黑暗条件下似乎具有联合自旋，这表明它们的自旋应该相互抵消，而不是被禁止的“三重态”。

“我们还没有完全理解是什么导致了基态的三重态特征，因为这违反了泡利不相容原理。这是非常不可能的，但从测量数据来看，是的，情况似乎是这样。”“这就是为什么我们对到底是什么让这一切发生有很多疑问。”

研究小组将探索该材料如何实现三重态特征基态，同时也追求潜在的自旋电子学器件应用。

该团队已经在密歇根大学创新伙伴关系的帮助下申请了专利保护，并正在寻找合作伙伴来使用这种新型材料制造设备。

这项工作得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会和密歇根大学工程学院的START资助。

来自加州大学伯克利分校和东国大学的合作者参与了这项研究。金金相还是大分子科学与工程学术项目主任和化学教授。