臺大化學系利用超分子化學揭開激發錯合物結構的神秘面紗

有機發光二極體(organic light-emitting diode, OLED)顯示器已應用在手機、電腦以及電視上。然而，目前使用含銥金屬的放光材料，使OLED顯示器的製作成本居高不下，因此開發低成本、高效率的純有機放光材料勢在必行。其中，可以放出熱活化延遲螢光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)的有機材料最受矚目，這種螢光特性能大幅提升電能轉為光能的效率，達成高效率的OLED元件，極具商業應用潛力。除了利用繁瑣路徑合成的有機分子可以有此特性，更簡易地利用具有給電子特性的分子(donor, D)與可以接受電子的分子(acceptor, A)進行物理性混摻的混合物，在光激發下由D到A進行電荷轉移所形成的激發錯合物(exciplex)，也可以放出TADF。但科學家一直無法得知exciplex的實際分子結構，使得進行exciplex結構跟放光特性的關聯性研究甚為困難，大大限制exciplex的研究發展。

為了解決此問題，臺大化學系教授汪根欉與周必泰研究團隊利用具有缺電子特性的分子設計，合成出高度對稱的籠狀分子(Trz-cage)，這個籠狀分子中心的空間可以用來捕捉具有給電子性質的分子(TrMe)形成包合(inclusion)的超分子結構(TrMe@Trz-cage)。透過晶體結構的解析，得知兩個分子之間詳細排列的結構與距離，這種緊緊鑲嵌包合的交互作用，使D/A混合物在基態及激發態的光物理特性研究得以實現，並順利獲得exciplex在基態生成的熱力學物理參數。

研究團隊更發現，焓(enthalpy)不利於分子間的交互作用，但靠一個D分子擠出原本在籠狀分子中的三個溶劑分子，使反應的熵(entropy)增加進而驅動包合物的生成。此結果說明先前利用D/A混合物來開發exciplex的研究在焓與熵的雙重不利條件下，無法形成一個穩定的基態，因此無法徹底研究exciplex的結構與形成條件。研究團隊可以簡單地利用坎入不同電子特性的D分子來調控所形成的包合超分子結構的放光顏色，展現出此新體系的多樣性，並使探知其受光激發後的光物理特性與分子結構的關聯性更為精確。

此研究突破性的進展，掙脫先前無法得知exciplex分子間交互作用的枷鎖，為日後exciplex在有OLED的應用奠下重要的基礎，點亮臺大在世界放光材料研究舞台上的關鍵角色，可望改善現行OLED的明亮度與成本。研究成果已在國際頂尖旗艦期刊《自然-化學》Nature Chemistry發表。

論文連結：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01357-0