台大化学系揭开了激发态复合物结构的神秘面纱

有机发光二极管（organic light-emitting diode, OLED）显示器已经广泛应用于手机、电脑以及电视上。然而，目前使用含铱金属的发光材料，导致OLED显示器的制作成本居高不下，因此开发低成本、高效率的纯有机发光材料势在必行。其中，能够发出热活化延迟荧光（thermally activated delayed fluorescence, TADF）的有机材料备受瞩目，这种荧光特性能够显著提升电能转化为光能的效率，实现高效率的OLED元件，具有巨大的商业应用潜力。除了通过复杂路径合成的有机分子具备此特性外，更简单地利用具有给电子特性的分子（donor, D）与可以接受电子的分子（acceptor, A）进行物理性掺杂的混合物，在光激发下由D到A进行电荷转移所形成的激发复合物（exciplex），也能发出TADF。但科学家一直无法得知exciplex的实际分子结构，使得进行exciplex结构与发光特性的关联性研究极为困难，大大限制了exciplex的研究发展。

为了解决这个问题，台大化学系教授汪根欉与周必泰研究团队利用具有缺电子特性的分子设计，合成出高度对称的笼状分子（Trz-cage），这个笼状分子中心的空间可以用来捕捉具有给电子性质的分子（TrMe）形成包合（inclusion）的超分子结构（TrMe@Trz-cage）。通过晶体结构的解析，得知了两个分子之间详细排列的结构与距离，这种紧密镶嵌包合的相互作用，使得D/A混合物在基态及激发态的光物理特性研究得以实现，并顺利获得了exciplex在基态生成的热力学物理参数。

研究团队还发现，焓（enthalpy）不利于分子间的相互作用，但通过一个D分子挤出原本在笼状分子中的三个溶剂分子，使得反应的熵（entropy）增加进而驱动包合物的生成。这一结果说明先前利用D/A混合物来开发exciplex的研究在焓与熵的双重不利条件下，无法形成一个稳定的基态，因此无法彻底研究exciplex的结构与形成条件。研究团队可以简单地通过嵌入不同电子特性的D分子来调控所形成的包合超分子结构的发光颜色，展现出这一新体系的多样性，并使探究其受光激发后的光物理特性与分子结构的关联性更为精确。

这一研究突破性的进展，摆脱了先前无法得知exciplex分子间相互作用的束缚，为日后exciplex在OLED的应用奠定了重要的基础，点亮了台大在世界发光材料研究舞台上的关键角色，有望改善现有OLED的亮度和成本。研究成果已在国际顶尖旗舰期刊《自然-化学》Nature Chemistry上发表。