有机半导体是一类材料，由于其独特的性能，可以在各种电子设备中得到应用。影响这些有机半导体光电特性的一个属性是它们的“激子结合能”，这是将激子分为负成分和正成分所需的能量。由于高结合能会对光电器件的功能产生重大影响，因此低结合能是可取的。这有助于减少有机太阳能电池等设备的能量损失。虽然已经研究了几种设计具有低结合能的有机材料的方法，但准确测量这些能量仍然是一个挑战，主要是由于缺乏合适的能量测量技术。
由日本千叶大学工学研究生院的Hiroyuki Yoshida教授领导的研究小组推进了这一领域的研究，现在已经阐明了有机半导体的激子结合能。他们的研究最近于2023年12月11日在线发布在《物理化学快报》上。千叶大学研究生院工学研究科的Ai Sugie女士、理化学研究所Emergent Matter Science的Kyohei Nakano博士和Keisuke Tajima博士以及广岛大学应用化学系的大阪伊樽教授与吉田教授一起参与了这项研究。吉田教授在谈到他们的研究时说：“在这项研究中，揭示了有机半导体中激子结合能的一种以前不可预测的性质。鉴于我们研究的基本性质，我们预计对现实生活中的应用产生长期和持久的影响，无论是可见的还是不可见的。
该团队首先通过实验测量了42种有机半导体的激子结合能，包括32种太阳能电池材料、7种有机发光二极管材料和3种戊烯晶体化合物。为了计算激子结合能，研究人员计算了束缚激子与其“自由载流子”状态之间的能量差。前者由与光吸收和发射相关的“光学间隙”给出，后者由“传输间隙”给出，它表示将电子从最高界能级移动到最低自由能级所需的能量。
光学间隙的实验测定涉及光致发光和光吸收实验。同时，通过紫外光电子能谱和低能逆光电子能谱技术计算了输运间隙，这是该研究小组首创的技术。该框架的使用使研究团队能够以 0.1 电子伏特的高精度确定激子结合能。研究人员认为，这种精确度可以帮助讨论有机半导体的激子性质，其置信度比以前的研究高得多。
此外，研究人员观察到激子结合能性质的一个意想不到的方面。他们发现，激子结合能是传输带隙的四分之一，与所涉及的材料无关。
这项研究的结果将塑造与有机光电子学有关的基本原理，并具有潜在的实际应用。例如，调节有机光电器件的设计原则预计将发生有利的变化。此外，鉴于这些发现有可能影响该领域的概念，研究人员认为这些发现也可能包含在未来的教科书中。
吉田教授在总结发言时说：“我们的研究有助于促进目前对有机半导体中激子机制的理解。此外，这些概念不仅限于有机半导体，还可以应用于广泛的分子基材料，例如生物相关材料。
希望这项工作能为下一代电子有机半导体领域更令人兴奋的发展铺平道路!
