手性等离子体纳米颗粒-分子杂化体系实现高效圆偏振有机发光二极管

为解决圆偏振有机发光二极管(CP-OLED)发光不对称因子(gEL)与外部量子效率(EQE)的权衡难题，研究人员通过手性等离子体纳米颗粒(NPs)与超分子聚集体组装，构建了多尺度手性传递体系。该工作实现了gEL=0.31和EQE=2.5%的突破性能，为三维显示、不对称合成等应用提供了兼容现有制造技术的解决方案。

　　

在显示技术和量子通信领域，圆偏振光源如同"光学指纹"具有不可替代的价值。传统获取圆偏振光需要线性偏振片和四分之一波片的组合，这种"光学拼图"方式导致高达50%的光能损耗。更令人困扰的是，现有圆偏振有机发光二极管(CP-OLED)面临"鱼与熊掌"的困境——基于手性分子的器件虽可实现高g_EL因子（发光不对称性），但外部量子效率(EQE)往往不足1%；而高效率器件又难以获得显著的手性发光特征。这种"效率-手性悖论"严重制约了CP-OLED在虚拟现实、立体显示等领域的应用突破。

香港中文大学（The Chinese University of Hong Kong）Jiapeng Zheng等研究人员独辟蹊径，将手性等离子体纳米颗粒作为"光学扳手"和"纳米天线"双重角色引入发光体系。通过精确调控432螺旋体III型、IV型金纳米颗粒与TDBC（5,6-二氯-2-[[5,6-二氯-1-乙基-3-(4-磺丁基)-苯并咪唑-2-亚基]-丙烯基]-1-乙基-3-(4-磺丁基)-苯并咪唑氢氧化物）分子的多尺度组装，成功在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。

研究团队运用三项核心技术：1）卤化物辅助差分生长法合成几何手性可调的金纳米颗粒；2）蒸发驱动自组装构建J-聚集体薄膜；3）倒置器件结构集成（FTO/ZnO/发光层/BCP/Ag）。通过圆偏振光电致发光(CPEL)光谱和瞬态光谱分析，揭示了手性传递的两种机制——几何手性诱导的分子堆叠产生手性Frenkel激子，以及等离子体偏振过滤效应。

手性等离子体-激子杂化体系的构建

通过调控TDBC用量(n_TDBC)，在432螺旋体III型NPs表面观察到从弱耦合到强耦合的转变，CD谱分裂能从20 meV扩大至430 meV。这种"光学杠杆"效应源于NPs表面形成的长程手性分子排列，其能量分裂幅度与√n_TDBC呈正比，显著强于先前报道的手性金纳米棒体系。

双信号CD特征的发现

选用几何手性较弱的432螺旋体IV型NPs时，杂化薄膜表现出独特的手性激子主导特征。当NPs尺寸为150 nm时，随着n_TDBC增加，CD谱从等离子体特征转变为激子特征，ORD信号增强两个数量级，证实了手性从NPs向分子聚集体的有效传递。

圆偏振发光的调控机制

在电激发条件下，432螺旋体IV型杂化器件(CP-OLED-1)展现双信号g_EL谱（+0.33@570 nm/-0.15@606 nm），源于手性激子的反Kasha发射。而采用强光学活性的432螺旋体III型NPs构建的CP-OLED-2器件，则通过等离子体偏振过滤实现g_EL=-0.31，EQE达2.5%。

器件性能的突破

分离式结构的CP-OLED-3（纳米三叉戟/TDBC分层）将|g_EL|进一步提升至0.32。研究发现等离子体Purcell效应加速了NPs表面激子的辐射复合，同时抑制了"过冲效应"，使器件稳定性提高3倍。与传统CP-OLED的"此消彼长"不同，该工作首次实现了g_EL与EQE的协同提升。

这项研究开创性地证明：手性等离子体NPs既能作为"分子模具"引导超分子手性组装，又可充当"光学偏振器"筛选发光不对称性。所发展的方法完全兼容现有OLED制造工艺，为开发非互易纳米光源、量子网络接口等手性光电器件提供了新范式。特别是器件在5V低驱动电压下即可工作，其2.5%的EQE虽低于传统OLED，但比镧系配合物基CP-OLED高出两个数量级，标志着圆偏振电致发光技术迈入新阶段。