فريق صيني يحقق التحكم في الحالات الإكسيتونية في بلورات عضوية، مع مردود كمي يبلغ 62% في درجات الحرارة المنخفضة

أخبار ar.wedoany.com، تمكن فريق بحثي مشترك من جامعة نانجينغ العادية (نانجينغ نورمال يونيفرسيتي) بقيادة ليو هونغ وي، وجامعة جنوب شرق الصين (ساوث إيست يونيفرسيتي) بقيادة ني تشن هوا، من تحقيق تحكم قابل للضبط في التحول من حالة الإكسيتون المظلم إلى حالة الإكسيتون الساطع في بلورات جزيئية عضوية ثنائية الأبعاد، وذلك من خلال الضبط الدقيق لدرجة الحرارة، مع ملاحظة تأثير الإشعاع الفائق في درجات الحرارة المنخفضة.

يؤدي التفاعل القوي بين ثنائيات الأقطاب الانتقالية في البلورات الجزيئية العضوية ثنائية الأبعاد إلى انقسام الحالات الإكسيتونية إلى إكسيتونات مظلمة وأخرى ساطعة. تتميز الإكسيتونات المظلمة بعمر إشعاعي طويل وخصائص غير إشعاعية، مما يجعلها واعدة في تطبيقات مثل معالجة المعلومات الكمومية، وتكاثف بوز-أينشتاين، وأنظمة حصاد الضوء. في المقابل، تُظهر الإكسيتونات الساطعة تأثير الإشعاع الفائق الناتج عن الانبعاث المتماسك التلقائي، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات الاتصالات البصرية على الرقائق، والأجهزة الباعثة للضوء العابرة، والصمامات الثنائية العضوية الباعثة للضوء (OLED) عالية المردود الكمومي. لذلك، يُعد الضبط الدقيق لهاتين الحالتين الإكسيتونيتين أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق إضاءة عالية الكفاءة وتطبيقات كمومية. أظهرت الأبحاث الحديثة أن التحكم في قوة الاقتران الإلكتروني بين الجزيئات من خلال تعديل طريقة تراص الجزيئات يمكن أن يؤثر بشكل مباشر على ترتيب مستويات الطاقة والخصائص البصرية للحالتين الساطعة والمظلمة في نطاق الإكسيتون. اختار الفريق بلورة جزيئية عضوية ثنائية الأبعاد من نوع C8-BTBT ذات حالة تجمع محددة كموضوع للدراسة، محاولًا تحقيق التحكم في الحالات الإكسيتونية عبر ضبط درجة الحرارة.

قام الفريق أولاً ببناء بلورة جزيئية عضوية ثنائية الأبعاد من C8-BTBT ذات حالة تجمع محددة. أظهرت التجارب أنه في درجات الحرارة المنخفضة، يتحول نمط التجميع للبلورة العضوية ثنائية الأبعاد من تجمع H إلى تجمع Hj، مما يؤدي إلى تحويل الإكسيتونات المظلمة غير الإشعاعية إلى حالات إكسيتونية ساطعة إشعاعية. يعزز هذا التحول بشكل كبير كفاءة الإضاءة للمادة، ويحفز تأثير الإشعاع الفائق في درجات الحرارة المنخفضة.

في درجة حرارة الغرفة، درس فريق البحث الخصائص البصرية للتجمعات الجزيئية ثنائية الأبعاد باستخدام مطيافية الإضاءة الضوئية (PL). بالمقارنة مع المحلول الأحادي الجزيئي، أظهرت أطياف PL لجميع الأغشية المتجمعة انزياحًا أحمر واضحًا، والذي يعزى بشكل أساسي إلى الاقتران بين إكسيتونات فرنكل وإكسيتونات نقل الشحنة بين الجزيئات في حالة التجميع. وفقًا لمبدأ فرانك-كوندون، تعكس نسبة شدة قمتي PL الأوليين R01 قوة الاقتران الإلكتروني-الاهتزازي. كانت قيمة R01 لطبقة التبلل (WL، تجمع H) تساوي 0.75، مما يشير إلى أن الانتقال 0-0 لم يكن محظورًا تمامًا، ويعزى ذلك إلى تأثير التنشيط الحراري الضعيف نسبيًا في درجة حرارة الغرفة. في المقابل، أظهرت البلورات أحادية الطبقة وما فوقها (تجمع J) أطياف PL تتميز بانتقال 0-0 بارز، لكن قيمة R01 تناقصت تدريجيًا مع زيادة عدد الطبقات.

كشفت قياسات الإضاءة الضوئية المقرونة زمنيًا (TRPL) عن اختلاف جوهري في ديناميكيات الإكسيتونات بين طبقة التبلل (WL) والبلورة أحادية الطبقة. كان عمر اضمحلال PL لطبقة التبلل (WL) يساوي 720 بيكو ثانية، وهو أقصر بشكل ملحوظ من عمر أحادي الطبقة البالغ 2.4 نانو ثانية، مما يشير إلى أن إضاءتها تهيمن عليها حالات نقل شحنة ذات عمر أقصر. أظهرت قياسات المردود الكمومي للإضاءة الضوئية (PLQY) أن المردود الكمومي لأحادي الطبقة يبلغ حوالي 10% عند كثافات الإثارة المنخفضة، بينما يقل عن 0.1% لطبقة التبلل (WL). يُعزى ذلك مباشرة إلى هيمنة تأثير تجمع H في طبقة التبلل (WL)، حيث تكون قاع نطاق الإكسيتون حالة مظلمة. كما كشفت الدراسة عن ظاهرة انخفاض الكفاءة (efficiency roll-off) في طبقة التبلل (WL) عند معدلات الإثارة العالية، وذلك بسبب عدم قدرة الإكسيتونات على إعادة الاتحاد الإشعاعي بسرعة، مما يؤدي إلى زيادة القنوات غير الإشعاعية. تشير هذه النتائج مجتمعة إلى أن طبقة التبلل (WL) هي بطبيعتها نظام إضاءة منخفض الكفاءة في درجة حرارة الغرفة.

كشفت قياسات PL المعتمدة على درجة الحرارة عن الاعتماد الحراري لسلوك الإكسيتونات. مع انخفاض درجة الحرارة، زادت شدة نطاق الانبعاث 0-0 لكل من طبقة التبلل (WL) وأحادي الطبقة، وضاق عرض الخط الطيفي، واتسع طول التماسك الإكسيتوني. كان مقدار الانزياح الأحمر لموقع قمة طبقة التبلل (WL) أكبر بكثير من ذلك الخاص بأحادي الطبقة، مما يشير إلى تغير جوهري في بنية نطاقها. أظهر التحليل الكمي أن شدة قمة 0-0 تتناسب طرديًا مع مربع عدد التماسك الحراري للإكسيتونات (NT). عند درجة حرارة 77 كلفن، بلغ عدد التماسك لطبقة التبلل (WL) NT=78، ولأحادي الطبقة NT=37؛ بينما انخفض عند 300 كلفن إلى NT=3 و NT=9 على التوالي، مما يبرز الحساسية الشديدة لتماسك إكسيتونات طبقة التبلل (WL) لدرجة الحرارة. قفز المردود الكمومي للإضاءة الضوئية (PLQY) المقابل لطبقة التبلل (WL) إلى 62% عند 77 كلفن، وهو تحسن بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم مقارنة بدرجة حرارة الغرفة.

أظهرت التركيبات النظرية المستندة إلى حسابات المبادئ الأولى توافقًا كبيرًا مع البيانات التجريبية. أظهرت شدة PL لأحادي الطبقة (1L) علاقة ذات ميل واحد مع مقلوب درجة الحرارة، مما يشير إلى أن سلوك تجمع J الخاص بها يتأثر بشكل أساسي بالتقلبات الحرارية. في المقابل، أظهرت طبقة التبلل (WL) سلوكًا ثنائي المنطقة، يتوافق مع آليتين: في درجات الحرارة العالية، تكون الإكسيتونات محصورة بالقرب من جزيء فردي، ويكون قاع نطاق الإكسيتون حالة مظلمة؛ في درجات الحرارة المنخفضة، يزداد طول التماسك الإكسيتوني، ويؤدي الاقتران المتماسك لثنائيات الأقطاب بين الجيران الأقرب من الدرجة الثانية إلى دفع الترتيب الجزيئي للتحول من تجمع H إلى تجمع Hj، ويتحول قاع النطاق من حالة مظلمة إلى حالة ساطعة، مما يفتح قناة إشعاعية عالية الكفاءة. قدم تحليل نسبة شدة النطاق 0-0 إلى النطاق 0-1 (R01) دليلاً مباشرًا على الإشعاع الفائق. أظهر ln(R01) في طبقة التبلل (WL) تغيرًا خطيًا مثاليًا مع مقلوب درجة الحرارة، وهي سمة مميزة للإشعاع الفائق، مما يشير إلى إشعاع جماعي لعدد كبير من ثنائيات الأقطاب المتماسكة.

كشفت هذه الدراسة بشكل منهجي عن التحول من حالة الإكسيتون المظلم إلى حالة الإكسيتون الساطع في بلورة C8-BTBT لطبقة التبلل (WL) في درجات الحرارة المنخفضة، والذي يعزى إلى التحول من تجمع H إلى تجمع Hj. وصل المردود الكمومي للإضاءة للمادة إلى 62% عند 77 كلفن، وقدم الاعتماد الحراري لشدة PL وعرض خط الإكسيتون و R01 دليلاً على الإشعاع الفائق. يُظهر البحث أنه من خلال هندسة التجميع العضوي والتحكم في درجة الحرارة، يمكن تنظيم تماسك الإكسيتونات وكفاءة الإشعاع بشكل فعال، مما يوفر أساسًا نظريًا لتطوير كاشفات ضوئية تعمل في درجات الحرارة المنخفضة، وصمامات ثنائية عضوية باعثة للضوء (OLED) عالية الكفاءة، وأجهزة معلومات كمومية.