Nature Photonics：轨道动量锁定引发的有机发光二极管中反常圆偏振光发射

小艺 1年前 (2022-12-22) 2022浏览

一、【导读】

在化学和生物学中，手性是指分子不能叠加在其镜像上的奇偶对称性破缺。手性对映体与光偶联时表现出相反的手性活性。在物理学中，手性通常指的是Weyl费米子和手性圆偏振（CP）光等粒子的自旋动量锁定。手性有机物最近被报道表现出一种拓扑特征，其中电子轨道和动量被锁定在一起，以解释DNA型分子中有趣的自旋选择性。从自旋信息的光通信到新颖的显示和成像技术，手性圆偏振光（CP）是许多光子技术的核心。近年来，研究人员在手性发射材料的开发方面已经作出了大量工作，使得有机发光二极管(OLEDs)能够发射强烈不对称的CP光。已经被广泛接受的是，与发光方向无关，活性层的分子手性决定了这种器件中CP发射的有利的光手性。因此，鉴于电子态与光-物质相互作用之间的密切关系，我们受到启发提出了一个问题：拓扑电子性质(即轨道动量锁定)能否增强旋光活性，从而推动快速发展的手性光电技术？

二、【成果掠影】

近日，伦敦帝国理工学院Li Wan和以色列魏茨曼科学研究所Binghai Yan等人报道了非常规地反向传播的手性圆偏振光（CP）表现出相反的旋向性，并且倒置OLEDs中的电流也改变了发射的CP光的旋向性。这种依赖于方向的CP发射通过解决圆偏振光-有机发光二极管（CP-OLEDs）的既定问题将净偏振率提高了几个数量级。通过详细的理论分析，作者将这种反常的CP发射归因于手性材料中普遍存在的拓扑电子性质，即轨道动量锁定。该项工作为设计新的手性电子器件铺平了道路，并探索了量子体系中手性材料、拓扑电子和CP光之间的密切联系。该工作以“Anomalous circularly polarized light emission in organic light-emitting diodes caused by orbital–momentum locking”为题发表在国际著名期刊《Nature Photonics》上。

三、【核心创新点】

1、发现了手性聚合物CP-OLEDs的异常发光现象：CP光发射的旋向性取决于发射方向。

2、依赖于方向的CP光发射将净偏振率提高了几个数量级，证明了拓扑电子性质(即轨道动量锁定)可以增强旋光活性。

四、【数据概览】

图1依赖于器件结构的圆偏振电致发光(CP-EL)

a，法向圆偏振效应，其中CP-EL与发射方向无关，其中IL和IR代表左手(红色箭头)和右手(蓝色箭头)CP发射的光强。b, CP-EL依赖于发射方向的异常圆极化效应。星形符号表示器件中的发射位置。c，d，常规(c)和倒置(d) CP-OLEDs的器件结构，其中插图显示了F8BT和[P]-aza[6]helicene的分子结构。e, f，来自常规(e)和倒置(f) CP-OLEDs记录的F8BT :[P]基CP-OLEDs的EL。

图2相对于电荷载流子流动方向的发射方向依赖的CP发射

a，使用不同类型手性发射物质的CP-OLEDs的报道汇总，包括聚芴、镧系化合物、TADF发射物和磷光发射物，其中M表示负螺旋手性。b，来自聚芴(本研究中的倒置装置)、镧系络合物和磷光发射体的|gEL|值作为反射电极厚度的函数的比较。趋势用实线表示。c，基于F8BT:[P]-aza[6]helicene的半透明常规CP-OLEDs (左)和倒置CP-OLEDs (右)示意图。红色箭头表示沿电子流方向的EL，蓝色箭头表示沿空穴流方向的EL。为了清晰起见，已经去掉了设备夹层。d，从半透明CP-OLEDs两侧测量的gEL汇总。

图3轨道动量锁定和异常圆偏振效应（ACPE）图解

a，限制在非手性盒中的电子的波函数(|ψ >)可以看作是对位传播平面波的叠加，|ψ±>≈e±ikz。b，手性盒中的波函数可以看作是反向传播的手性平面波的叠加，|ψ±>≈e±ikze±lϕ。其中，|ψ±>携带相反的OAM值(±l)，即|ψ±>具有相同的由盒手性引起的电子手性。黑色箭头表示传播方向(k)，螺旋状轨迹表示l。c，从激发态|1 >到基态|0 >的正圆偏振发射，其中|0、1 >携带零OAM。在转变Δl = 0的角动量转移，因此光的净自旋为零，导致在两个方向上发射的光具有相同的旋向。下标“e”和“h”分别表示电子和空穴。d，从|1+>到|0+>的异常圆极化发射，其中|0+，1+>携带有限OAM。因为Δl是有限的，相反发射的光具有相同的自旋，并表现出相反的手性。e，相对于d反向电流流动切换CP光的手性。

图4扭曲角堆积两个F8BT分子的手性和CP发射

a，利用密度泛函理论计算HOMO(|0 >)和LUMO(|1 >)态的总电荷密度分布。白色、棕色、浅蓝色和黄色球体分别代表H、C、N和S原子。b， |1+>到|0+ >的过渡示意图。c，在x-y平面上涡状平面波ei(lϕ±kz)的相位分布φ(r) = lφ(左)。l由积分轮廓C的虚线圆路径上φ(r)(右)的相位绕线数逆时针推导得到，|0+> (|1+>)+k的相位绕线数l = 3(2)， |0−>(|1−>)+k的相位绕线数l =−3(−2)，证明了轨道动量锁定(l||k)。

五、【成果启示】

作者报告了一个异常圆偏振（ACPE）现象，其中CP光发射的旋向性取决于发射方向。它涉及光学跃迁中有限角动量的转移。ACPE中不寻常的TRS断裂是由波函数中手性轨道性质引起的非平衡轨道磁化所驱动的。在CP-OLEDs中，这种轨道磁化是由电流流引起的，而不是静态磁化或磁场，其影响在以前对手性材料的研究中很少被认识到。根据这种效应能够设计出非常规的CP-OLEDs器件，它具有较大的gEL，且不受后电极反射的侵蚀。该项工作揭示了手性在结构几何、电子拓扑和光的手性等看似无关的方面的有趣统一。手性信息可以从材料的几何形状转移到电子波函数，并进一步转移到光的自旋。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41566-022-01113-9

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