十一月 2024 |
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【記者姚碩彥／台北】在國家科學及技術委員會學術攻頂計畫支持下，台大周必泰教授研究團隊，成功將團隊本身所保持的有機強放光世界紀錄，由原先的840 奈米一舉突破到1000 奈米。此傑出的研究成果已於今年10月10日正式發表於國際光電頂尖的「自然光電」（Nature Photonics）期刊，未來有望應用於即時生醫影像及生化感測解析，成為穿載式生醫檢測的利器，同時其可降低資訊傳遞吸收損失，提升光纖科技效能，是未來生醫及通訊科技突破性發展不可或缺之基石。
近紅外（NIR）波長在1000~1700 nm的範圍俗稱紅外二區（NIR（II）），在生醫領域上，它可以穿過皮膚組織以及血管做深層成像檢測或啟動藥物作用，也是重要可穿戴式生醫產品（如血氧計、光療貼片）的主要光源；此外，因為吸收損失少，它也是光纖科技在資訊傳遞上的重要波長範圍。目前這區域的放光材料主要為半導體基材以及鑭系金屬相關螢光粉，但其物理性質如光度之間變化時間響應慢及材料選擇有限等，導致應用上有所限制，不利於生醫及光電長遠發展。紅外二區放光材料若要有突破性的進展，以及考量未來更普遍的應用性，具多樣性的有機分子材料是最佳的選擇，而目前此波長的有機發光材料非常罕見。
早在1970 年所提出的「能隙定律」（energy gap law）中已描述到，有機分子從基態被光能或電能激發到電子激發態後，可以放光或放熱的形式回到原來的基態。而有機分子材料在紅外二區在能隙定律中具顯著的熱淬滅效應，理論上其放光產率接近於零，不太可能適合於紅外二區發光應用。因此如何讓有機分子在紅外二區有強放光性質，長久以來在國際光電科研上被認為是一個不可能達成的任務。
為了化不可能為可能，周必泰教授團隊自2017年起從理論基礎出發，思考若耦合是不可避免發生的定律，那麼是否可以經由其他方式，來有效的降低有機材料激子/振動的耦合強度，進而減低熱消散的發生機率。透過與國立清華大學季昀教授、國立海洋大學洪文誼教授以及國家同步輻射中心莊偉綜博士的合作，本次刊登「自然光電」（Nature Photonics）期刊的論文，是利用鉑金屬錯合物配位基分子的更加平面化，以及將有機化合物中的氫原子氘化（將氫以其同位素氘置換），一舉突破團隊2020年發表在自然光電的世界紀錄840 奈米，在分子的放光原理及設計上做出卓著的國際性貢獻。
周必泰教授研究團隊審慎檢視能隙定律理論，量化每個分子之耦合振動效應，透過碳氫鍵之氫原子氘化來進一步降低耦合熱消散速率。透過實證，以分子堆疊加上全面性的氘化，成功的突破能隙定律在紅外二區的桎梏。
據此設計合成製備出的電致發光元件（OLED），其放光波長已達到1000奈米，內部量子產率達21%，外部4.2%，皆為目前之世界紀錄。周必泰教授表示，未來將挑戰前所未有的有機分子紅外三區範圍（1700-2000 nm）的放光領域，以及將現有成果商業化，並歡迎有興趣的學者及業者能一起來共襄盛舉。2022/12/07
