es.wedoany.com Noticia: Un equipo de investigación de la Universidad Normal de Nankín y la Universidad del Sureste, liderado por Liu Hongwei y Ni Zhenhua, ha logrado con éxito la conmutación controlable de estados excitónicos oscuros a brillantes en cristales moleculares orgánicos bidimensionales mediante la regulación precisa de la temperatura, observando además un efecto de superradiación a bajas temperaturas.
En los cristales moleculares orgánicos bidimensionales, la fuerte interacción dipolo-dipolo de transición provoca la división de los estados excitónicos en excitones brillantes y oscuros. Los excitones oscuros, debido a su larga vida útil radiativa y sus características no radiativas, tienen potencial de aplicación en el procesamiento de información cuántica, la condensación de Bose-Einstein y los sistemas de captura de luz. Los excitones brillantes, por su parte, gracias al efecto de superradiación generado por la emisión coherente espontánea, son adecuados para comunicaciones ópticas en chip, dispositivos emisores de luz transitorios y diodos orgánicos emisores de luz de alto rendimiento cuántico. Por lo tanto, la regulación precisa de estos dos estados excitónicos es crucial para lograr una emisión de luz de alta eficiencia y aplicaciones cuánticas. Investigaciones recientes han descubierto que, al controlar la forma de apilamiento molecular para modificar la intensidad del acoplamiento electrónico intermolecular, se puede influir directamente en el orden de los niveles de energía y las propiedades ópticas de los estados brillante y oscuro en la banda excitónica. El equipo seleccionó el cristal molecular bidimensional C8-BTBT en un estado de agregación específico como objeto de estudio, intentando lograr la conmutación del estado excitónico mediante la regulación de la temperatura.
El equipo construyó primero el cristal molecular bidimensional C8-BTBT en un estado de agregación específico. Los experimentos revelaron que, a baja temperatura, el modo de agregación del cristal orgánico bidimensional pasa de agregación H a agregación Hj, lo que transforma los excitones oscuros no radiativos en estados excitónicos brillantes radiativos. Esta transición mejora significativamente la eficiencia de emisión de luz del material e induce un efecto de superradiación a baja temperatura.
A temperatura ambiente, el equipo de investigación estudió las propiedades ópticas de los agregados moleculares bidimensionales mediante espectroscopia de fotoluminiscencia (PL). En comparación con la solución monomérica, los espectros de PL de todas las películas en estado agregado mostraron un corrimiento al rojo significativo, debido principalmente al acoplamiento entre los excitones de Frenkel y los excitones de transferencia de carga intermolecular en el estado agregado. Según el principio de Franck-Condon, la relación de intensidad R01 de los dos primeros picos de PL refleja la fuerza del acoplamiento electrón-vibración. La R01 de la capa humectante (WL, agregación H) fue de 0,75, lo que indica que su transición 0-0 no está completamente prohibida, atribuyéndose al débil efecto de activación térmica a temperatura ambiente. En cambio, los cristales de una monocapa y superiores (agregación J) mostraron espectros de PL caracterizados por una transición 0-0 prominente, aunque el valor de R01 disminuyó gradualmente al aumentar el número de capas.
Las mediciones de fotoluminiscencia resuelta en el tiempo revelaron diferencias esenciales en la dinámica de los excitones entre la WL y los cristales de una monocapa. La vida útil de la desintegración de PL de la WL fue de 720 picosegundos, significativamente más corta que los 2,4 nanosegundos de la monocapa, lo que indica que su emisión está dominada por estados de transferencia de carga de vida más corta. Las mediciones del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY) mostraron que, a baja densidad de excitación, el rendimiento cuántico de la monocapa era de aproximadamente el 10 %, mientras que el de la WL era inferior al 0,1 %. Esto se atribuye directamente al predominio del efecto de agregación H en la WL, donde la parte inferior de la banda excitónica es un estado oscuro. El estudio también encontró un fenómeno de caída de eficiencia en la WL a altas tasas de excitación, debido al aumento de los canales no radiativos causado por la incapacidad de los excitones para recombinarse radiativamente rápidamente. Estos resultados indican colectivamente que la WL es, por naturaleza, un sistema de emisión de luz de baja eficiencia a temperatura ambiente.
Las mediciones de PL en función de la temperatura revelaron además la dependencia térmica del comportamiento de los excitones. Al disminuir la temperatura, la intensidad de la banda de emisión 0-0 de la WL y la monocapa aumentó, el ancho de línea espectral se estrechó y la longitud de coherencia de los excitones se expandió. El corrimiento al rojo de la posición del pico de la WL fue mucho mayor que el de la monocapa, lo que sugiere un cambio fundamental en su estructura de bandas. El análisis cuantitativo mostró que la intensidad del pico 0-0 es proporcional al cuadrado del número de coherencia térmica de los excitones, NT. A 77 K, el número de coherencia de la WL alcanzó NT=78, y el de la monocapa fue NT=37; a 300 K, disminuyó a NT=3 y NT=9, respectivamente, lo que resalta la extrema sensibilidad de la coherencia de los excitones de la WL a la temperatura. El correspondiente rendimiento cuántico de fotoluminiscencia de la WL se elevó al 62 % a 77 K, un aumento de más de dos órdenes de magnitud en comparación con la temperatura ambiente.
El ajuste teórico basado en cálculos de primeros principios coincidió estrechamente con los datos experimentales. La intensidad de PL de 1L mostró una relación de pendiente única con el inverso de la temperatura, lo que indica que su comportamiento de agregación J se ve afectado principalmente por las fluctuaciones térmicas. En cambio, la WL presentó un comportamiento de dos regiones, correspondiente a dos mecanismos: a alta temperatura, los excitones se localizan cerca de una sola molécula, y la parte inferior de la banda excitónica es un estado oscuro; a baja temperatura, la longitud de coherencia de los excitones aumenta, y el acoplamiento coherente de los dipolos de vecinos próximos impulsa la transición del arreglo molecular de agregación H a agregación Hj, transformando la parte inferior de la banda de un estado oscuro a un estado brillante, abriendo un canal de radiación eficiente. El análisis de la relación de intensidad R01 entre las bandas 0-0 y 0-1 proporcionó evidencia directa de superradiación. En la WL, ln(R01) varió perfectamente de forma lineal con el inverso de la temperatura, una característica típica de la superradiación, lo que indica la radiación colectiva de un gran número de dipolos coherentes.
Este estudio revela sistemáticamente la transición del estado excitónico oscuro al brillante en el cristal C8-BTBT de la WL a baja temperatura, atribuida a la transformación de agregación H a agregación Hj. El material alcanzó un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia del 62 % a 77 K, y la dependencia de la temperatura de la intensidad de PL, el ancho de línea de los excitones y la R01 proporcionaron evidencia de superradiación. La investigación muestra que, mediante la ingeniería de agregación orgánica y el control de la temperatura, se puede regular eficazmente la coherencia de los excitones y la eficiencia de radiación, proporcionando una base teórica para el desarrollo de fotodetectores de baja temperatura, OLED de alta eficiencia y dispositivos de información cuántica.
