单一发光体同步发射正交CP光的实现

　　 近日，韩国汉阳大学电子工程系的Chang-Jae Yu教授与Jae-Hoon Kim教授的研究团队发表了题为Simultaneous emission of orthogonal handedness in circular polarization from a single luminophore的文章，提出使用无手性掺杂剂的扭曲非手性共轭聚合物作为发射层来实现直接圆偏振光的发射。在此基础上，通过改变发射层表面不同的对准方向，实现正交圆偏振光的同步发射。此类多极化光源多适用于生物传感器、光学器件等领域。文章于2019年12月发表在《Light: Science Applications》期刊上。

　　 研究背景

　　 光的偏振控制是显示器、光学数据存储、光学量子信息和手性传感器的关键特性。特别是圆偏振(CP)光的直接发射引起了人们的极大兴趣，因为有机发光二极管(OLED)的性能得到了提高，而且光源可以用于表征蛋白质二级结构。传统的OLED面板前需要圆形偏振器，用于防止金属电极反射环境光，因此在不考虑内部反射等其他损失，发射光效率最大约50%。当有旋向与面板前圆形偏振相同的圆偏振光直接从OLED发射出来，能够提高发射光的效率。圆偏振光可以由材料的固有性质（如手性发光团）或宏观的外在性质（如光通过双折射材料扭曲叠加）而产生。无论如何，为了实际产生CP光，发光层应该包含手性特征。然而，这种发光层的手性使得整个器件只能产生一种CP光，很难在空间上控制手性。此外，掺杂剂的手性只出现在有限的温度范围。尽管生成单一CP光对提高OLED的性能很重要，在一个不附加任何光学薄膜的单一发射层生成正交CP光可以为生物传感器和立体三维显示的新型光源的发展铺平道路。为了在单个器件中产生包括正交CP光在内的各种CP态，需要实现不含任何手性部分的CP发光器件。

　　 创新研究

　　 本文首次提出使用不含任何掺杂剂的扭曲非手性共轭聚合物直接进行CP光的发射。研究人员通过将不同的边界条件应用于具有LC相的共轭聚合物上下界面，从而在发射层（EML）中诱导出扭曲构型。由此产生的宏观扭曲构型在光致发光和电致发光过程中都产生了具有高不对称因子的CP光。单个发光器件在光致发光过程中的不对称因子分别为0.60和0.63，表示相反的信号。电致发光的不对称因子分别是0.57和0.64。此外，研究人员通过应用多重对准方法，证明了正交CP光在单一发光器件中的同步发射。对准的液晶共轭聚合物产生的线性偏振光通过不同的扭曲结构被转换为不同的圆偏振态，实现不同偏振态CP光的图形化。该实验演示强调了多极化光源的可行性，包括正交CP态，从而为在生物传感器以及OLEDs等光学设备上的新应用铺平了道路。

　　 图1 制作工艺示意图。

　　 (a)在CuPc上进行AL22636的第一次摩擦;(b)F8BT层的旋涂和干燥;(c)摩擦F8BT层（第二次摩擦）与第一次方向不同;(d)在摩擦后的F8BT层上覆盖NOA;(e)在F8BT的介晶温度下对样品进行热退火;(f)冷却样品，剥离NOA;(g)在真空中连续沉积TPBi/LiF/Al。AFM图像和相应的傅里叶变换图像显示了F8BT的第二摩擦面。在这里,比例尺代表5μm摩擦和箭头指示摩擦方向。

　　 图2 校准纹理和光致发光(PL)谱。

　　 (a-c)校准纹理，插图对应的扭曲构型和PL谱对应的各种摩擦角Rθ（a. Rθ=60°；b. Rθ=90°，无手性掺杂；c. Rθ=100°，25wt% 手性掺杂剂）。在没有圆偏振器的情况下，使用LH偏振器和RH偏振器测量的PL光谱分别用黑色(IT)、红色(IL)和蓝色(IR)的实线表示。(b)中的暗区和亮区分别表示左右旋结构。为了进行比较，在没有圆偏振器的情况下，光谱强度相对于峰值强度进行了归一化。(d) 测量了F8BT层的扭角与摩擦角的函数。空心菱形和实心三角形分别表示无手性掺杂剂的F8BT层上去除NOA65前后的测量值。空心矩形和实心圆分别表示掺杂2.5wt%S5011F8BT层上去除NOA65前后的测量值。(e)gPL作为扭角的函数。这些符号表示CPPL实验测量值（空心矩形和实心圆分别表示去除NOA65前后的测量值），实线表示Mueller矩阵法的计算结果。其中，红色（空心矩形和实心圆）和绿色（空心矩形和实心圆）分别表示不含手性掺杂剂的纯F8BT和含2.5 wt%手性掺杂剂的F8BT的gPL值。这里，所有的标尺代表0.5毫米。

　　 图3 电致发光(EL)谱和g因子。

　　 (a-c) EL谱对应的各种扭角Tθ（a. Tθ=0°；b. Tθ=52°，无手性掺杂；c. Tθ=100°，25wt% 手性掺杂剂）。在没有圆偏振器的情况下，使用LH偏振器和RH偏振器测量的EL光谱分别用黑色(IT)、红色(IL)和蓝色(IR)的实线表示。(d) gEL作为扭角的函数。实心圆表示CPEL的实验测量值（红色和绿色标志分别表示不含手性掺杂剂的纯F8BT和含2.5 wt%手性掺杂剂的F8BT的gEL值）。利用Mueller矩阵分析，计算在不同复合区域与TPBi分别相距0nm（黑色实线）,40nm（蓝色实线）和80nm（红色实线）时gEL与扭角的函数关系。(e)CPEL的原理图。

　　 图4 单一发射层（EML）的正交CPPL和CPEL。

　　 (a)单发射层同步发射正交手性圆偏振的原理图。多向摩擦的AL22636表面和单向摩擦的F8BT表面在单EML中产生反向扭转结构。在LH(上图)和RH(下图)圆偏振镜下的(b)微观纹理和(c)PL纹理。(d)与(c)中各象限对应的CPPL光谱。(e) EL样品的第一(顶部光谱)和第二(底部光谱)象限的CPEL光谱。所有不使用圆偏振器，使用LH和RH圆偏振器测量的光谱分别由黑色(IT)、红色(IL)和蓝色(IR)实线表示。这里，所有的标尺代表1厘米。

　　 （来源：科学网 叶欣）

　　 相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-019-0232-0

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