利用單重態裂變（Singlet Fission）的方式開辟一條通向高強度近紅外OLED的新途徑。

單重態激子裂變，圖片來源：Kyushu University, OPERA

日本九州大學有機光子學與電子研究中心（OPERA）的研究人員展示了一種在有機發光二極管（OLED）中通過分裂激子能量進而獲得激子產量超過100％限制的方法。這是一條非常有前景的開發低成本高強度近紅外光源的新方法，可用于傳感和通信應用。

OLED使用含碳有機分子層將電荷轉換成光。在普通的OLED中，一個正電荷和一個負電荷在一個分子上聚集在一起形成稱為激子的能量包。一個激子可通過釋放能量產生至多一束光或光子。

當所有電荷形成發光的激子時，就實現了目前最大100％的內量子效率（IQE）。然而，這篇文獻所使用的新技術中稱為單重態裂變的過程卻將原有的高能量激子的分成兩個低能量的激子，使得將電荷轉換為激子的效率（也稱為激子產生效率）突破了100％的限制，也就意味著OLED材料發光效率和發光強度的提升。

“簡單地說，我們在OLED中加入了充作激子變換器的分子。類似于將10美元鈔票轉換成兩張5美元鈔票的變換器，這里的變換器分子將昂貴的高能激子轉換成兩個一半（低）能量的激子”九州大學副教授Hajime Nakanotani針對新的成果解釋說，他是該論文的共同作者。

激子有兩種形式，單重態和三重態，分子只能接收具有一定能量的單重態或三重態激子。研究人員通過使用上述作為激子變換器的分子克服了每對電荷只能產生一個激子的極限，這種分子能夠接受能量是其單重激子能量一半的三重態激子。

單重態激子裂變，圖片來源：CINNO

在這樣的分子（如上圖示中的紅熒烯）中，單重態可以將其一半能量轉移到相鄰分子，同時為自身保留一半的能量，從而將一個單重態激子分裂成兩個三重態激子，這個過程叫做單重態裂變。

緊接著，上述分裂后形成的三重態激子轉移到第二類分子（如上圖示中的8羥基喹啉），該第二類分子可以利用這些三重態激子的能量發射近紅外光。在目前的工作中，研究人員能夠將電荷空穴對轉換為100.8％三重態激子，這表明100％不再是激子產生效率的限制。盡管單重態裂變現象之前已在有機太陽能電池（OPV）應用中觀察到，但是用于OLED尚屬首次。

此外，通過對比近紅外發射譜和器件暴露于不同磁場后剩余單重態激子產生的痕量可見光發射譜，研究人員還可以很容易地評估單重態裂變效率，通常該裂變效率很難估計。

“近紅外光在生物和醫學應用以及通信技術中發揮著關鍵作用，”OPERA主任Chihaya Adachi說。“我們發現單重態裂變原理可用于OLED產品，這是一條克服挑戰進而開發出一種高效近紅外OLED產品的新途徑，它將很快能在實際產品中被應用。”

在該項目的早期工作中，整體的激子產生效率仍然相對較低，因為傳統近紅外波段有機發射材料的發射效率還很低，當然，這個發射效率總是限制在最高100％以下。盡管如此，這種新方法還是提供了一種在不改變發射體分子的前提下提高激子產生效率和光發射強度的方法。另外，研究人員也正在研究改進發射體分子本身。

隨著進一步的改進，研究人員希望激子的生產效率高達125％，這將成為下一個限制，因為OLED材料在通電后產生25％的單重態激子和75％的三線態激子。在此之后，他們考慮進一步將上述75％的三線態激子轉換為單重態，這種方案可能最終實現200％的量子效率。