有机分子聚集体中的反常声子动力学及其非传统自旋-轨道耦合光电效应

摘要

在传统有机光电子学中,激发态电子与分子振动及晶格声子之间的强电-声子耦合通常导致超快非辐射能量耗散,从而限制发光效率与器件性能的进一步提升.围绕这一科学问题,过去十余年中研究者主要通过分子结构刚性化、构象受限设计以及材料与器件的结构调控等策略削弱非绝热电-声子耦合通道,以抑制非辐射跃迁并提高光电性能.近年来研究发现,在具有高度有序聚集结构的有机体系中,声子动力学本身并非总是超快弛豫状态.通过光激发调制拉曼光谱等实验手段,在特定有序聚集体中首次观测到毫秒乃至秒的异常慢声子弛豫行为.进一步的动力学研究表明,当声子弛豫过程显著减慢时,激发态电子向晶格的非辐射能量转移速率将受到声子动力学时间尺度的限制,从而在动力学意义上延长激发态寿命并重塑激发态演化路径.另一方面,在有序供体-受体聚集体系中,分子间电荷转移激发态与极化有序结构的协同作用,还可诱导一种不同于传统重原子机制的非常规自旋-轨道耦合行为.该类自旋-轨道耦合并非源于重原子效应,而体现为由聚集态极化有序结构所稳定的、作用于激发态动力学过程中的自旋混合与自旋转化通道,并可通过磁场调控发光等动力学可观测量加以表征.本文综合评述了有机聚集体发光体系中电-声子耦合引发非辐射跃迁的传统物理方式,总结了分子、材料与器件层面抑制非辐射损耗的主要策略,并重点评述了近年来关于异常慢声子动力学及其对激发态时间尺度调控的代表性研究进展以及由电荷转移态与极化有序结构诱导的非常规自旋-轨道耦合现象.在此基础上,提出了将声子从单纯的能量耗散通道转而视为激发态动力学调控因素的“声子增益光电效应”概念,强调通过调控声子弛豫速率与聚集态结构序参量,实现对有机光电体系激发态过程的多维动力学调控.

关键词

聚集体发光 / 电-声子耦合 / 异常慢声子动力学 / 声子增益光电效应