有机电致发光材料中光子自旋角动量的电控调控新策略

《Nature Photonics》：Electrical control of photon spin angular momentum in organic electroluminescent materials

本刊推荐：研究团队针对圆偏振电致发光(CP-EL)的手性控制难题，通过开发新型氟代[6]螺烯(monoF[6]H)添加剂，实现了在单一器件架构中通过空穴传输层(HTL)调控重组区(RZ)位置，从而电控切换正常圆偏振电致发光(NCPE)与反常圆偏振电致发光(ACPE)机制。该研究首次在有机发光二极管(OLED)中通过轨道角动量(OAM)与自旋角动量(SAM)的耦合实现了手性可调的CP-LED，为量子信息技术和加密通信提供了新范式。

　　

在光子学与材料科学交叉领域，控制光子的自旋角动量（Spin Angular Momentum, SAM）是实现下一代低功耗显示器、加密通信和量子应用的核心挑战。圆偏振光（Circularly Polarized Light, CPL）携带的旋向信息通常依赖于手性材料本身的结构特性，传统上需要分别使用左旋和右旋对映体才能获得不同手性的电致发光。然而，在有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diodes, OLED）中，尤其是基于共轭聚合物的体系，发光层厚度或电流方向也会影响圆偏振电致发光（Circularly Polarized Electroluminescence, CP-EL）的旋向。更关键的是，对于特定厚度的活性层，能否在相同器件结构中使用单一手性材料实现电控切换CP-EL旋向，一直是未解之谜。

近日发表在《Nature Photonics》的研究通过精妙的材料设计与器件工程，实现了有机CP-LED中光子自旋角动量的电控调控。研究团队开发了新型单氟取代[6]螺烯（monoF[6]H）手性添加剂，通过调控空穴传输层（Hole Transport Layer, HTL）的存在与否，在不变更发光层组成或厚度的前提下，成功切换了正常圆偏振电致发光（Normal Circularly Polarized Electroluminescence, NCPE）与反常圆偏振电致发光（Anomalous Circularly Polarized Electroluminescence, ACPE）机制。这一发现不仅突破了传统CP-LED对手性对映体的依赖，更揭示了轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）在电荷传输过程中对光子自旋的调控作用，为手性光电子学提供了新的物理视角。

研究团队主要采用以下关键技术方法：通过空间电荷限制电流法（Space-Charge-Limited Current, SCLC）测量空穴迁移率与陷阱态密度；利用穆勒矩阵偏振测量术（Mueller Matrix Polarimetry, MMP）分析薄膜的圆二色性（Circular Dichroism, CD）信号来源；制备传统与倒置结构的半透明器件，通过旋转四分之一波片与线性偏振器组合测量不同发射方向的CP-EL不对称因子（g_EL）；结合电容-电压（Capacitance-Voltage, CV）和电容-频率（Capacitance-Frequency, CF）测试定位重组区（Recombination Zone, RZ）位置。

材料设计与手性表征

研究团队比较了氮杂[6]螺烯（aza[6]H）与新开发的单氟[6]螺烯（monoF[6]H）作为手性添加剂的效果。能级测试显示，monoF[6]H的最高占据分子轨道（HOMO）为5.8 eV，与聚合物F8BT（聚(9,9-二辛基芴-交替-苯并噻二唑)）的HOMO能级匹配，而aza[6]H的HOMO能级较浅（5.4 eV），易成为空穴陷阱。当以10 wt%浓度掺入F8BT并形成160 nm厚薄膜时，两种添加剂均能诱导聚合物链产生手性相，其中(P)-aza[6]H薄膜在491 nm处表现出g_abs=0.65的圆二色性，(P)-monoF[6]H的g_abs为0.42。MMP数据证实其手性信号源自自然光学活性，而非线性双折射或反射效应。

器件性能与重组区调控

在传统结构CP-OLED中，F8BT:(P)-aza[6]H器件需添加TFB作为HTL才能工作，但效率较低、开启电压较高；而F8BT:(P)-monoF[6]H器件即使无HTL仍能保持低开启电压。倒置结构器件普遍效率更高，且monoF[6]H基无HTL器件表现出极低的效率滚降。SCLC测试显示，monoF[6]H共混膜的空穴迁移率比aza[6]H体系高近三个数量级，陷阱态密度显著降低。CV/CF分析表明，含HTL器件因空穴迁移不平衡导致RZ被钉扎在HTL界面附近，而无HTL器件中RZ位于活性层中心，电荷复合更均衡。

电控圆偏振发光机制

无HTL器件中，无论传统或倒置结构，CP-EL均保持与光致发光相同的左旋特性（g_EL^CONV=+0.10, g_EL^INV=+0.13），且半透明器件双面测量结果一致，表明其发光机制为NCPE。而添加HTL后，传统器件中(P)-monoF[6]H的CP-EL反转为右旋（g_EL^CONV=-0.40），倒置器件仍为左旋（g_EL^INV=+0.38），且半透明器件双面测量呈现相反旋向，证实ACPE机制主导。研究提出ACPE源于手性材料中轨道动量锁定效应：当RZ靠近电极时，电子在穿越手性活性层过程中获得有限OAM（Δl=l_e-l_h），并通过电子-空穴复合转移至光子SAM；而平衡传输条件下（无HTL），电子与空穴携带的OAM相互抵消（Δl≈0），仅表现NCPE。

该研究通过调控重组区位置，实现了ACPE与NCPE机制的可控切换，突破了单一手性材料仅能发射固定旋向CPL的限制。其核心创新在于利用单一手性对映体，通过简单的HTL修饰即可电控输出左旋或右旋CP-EL，避免了繁琐的外消旋体拆分。这一发现不仅推动了CP-LED在显示技术与量子信息系统中的应用前景，更深化了对手性材料中电荷-自旋-轨道相互作用的理解，为拓扑手性光电子学提供了新的材料平台与研究范式。