研究人員在有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域取得了一項數(shù)十年難題的突破，為未來電子技術(shù)開辟了新可能。由劍橋大學(xué)和埃因霍溫理工大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊開發(fā)出一種新型有機(jī)半導(dǎo)體，該材料迫使電子以螺旋軌跡運(yùn)動。這一發(fā)現(xiàn)有望提升電視和智能手機(jī)OLED屏幕的能效，或為自旋電子學(xué)和量子計算等下一代計算技術(shù)提供動力。

這種新型半導(dǎo)體能夠發(fā)射圓偏振光——意味著光線攜帶著電子"手性"的信息。大多數(shù)無機(jī)半導(dǎo)體（如硅）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是對稱的，電子在其中可以自由移動而無特定方向偏好。

然而在自然界中，分子通常具有手性（左旋或右旋）結(jié)構(gòu)：就像人類雙手一樣，手性分子互為鏡像。這種特性在DNA形成等生物過程中起著關(guān)鍵作用，但在電子器件中一直難以有效控制。

研究團(tuán)隊通過借鑒自然界的分子設(shè)計策略，成功開發(fā)出具有手性特征的半導(dǎo)體材料。他們通過精確控制半導(dǎo)體分子的排列，形成了有序的右旋或左旋螺旋柱狀結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

手性半導(dǎo)體在顯示技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。當(dāng)前顯示屏幕由于需要過濾光線，往往造成大量能量浪費(fèi)。研究人員開發(fā)的手性半導(dǎo)體能夠以自然發(fā)射圓偏振光的方式工作，可顯著降低這類能量損耗，使屏幕更亮且更節(jié)能。

該研究的共同負(fù)責(zé)人、劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗室的Richard Friend教授表示："我開始研究有機(jī)半導(dǎo)體時，許多人都質(zhì)疑其潛力，但現(xiàn)在它們已成為顯示技術(shù)的主流。與剛性的無機(jī)半導(dǎo)體不同，分子材料具有驚人的可塑性——讓我們能夠設(shè)計像手性LED這樣的全新結(jié)構(gòu)。這就像用你所能想象的各種形狀的樂高積木搭建，而不僅僅是標(biāo)準(zhǔn)的長方體。"

該半導(dǎo)體基于一種名為三氮雜苯（TAT）的材料，這種材料能夠自組裝成螺旋堆疊結(jié)構(gòu)。電子在其中運(yùn)動時就像沿著螺絲的螺紋旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。

來自埃因霍溫理工大學(xué)的共同第一作者M(jìn)arco Preuss解釋道："當(dāng)受到藍(lán)光或紫外線激發(fā)時，自組裝的TAT會發(fā)射出具有強(qiáng)圓偏振性的明亮綠光——這種效應(yīng)此前在半導(dǎo)體中極難實(shí)現(xiàn)。TAT的結(jié)構(gòu)不僅允許電子高效移動，還能直接影響光的發(fā)射方式。"

通過改進(jìn)OLED制造工藝，研究團(tuán)隊成功將TAT材料應(yīng)用于圓偏振OLED（CP-OLED）器件。測試顯示，這些器件在效率、亮度和偏振度等方面均創(chuàng)下新紀(jì)錄，成為同類產(chǎn)品中的佼佼者。

劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗室的共同第一作者Rituparno Chowdhury表示："我們實(shí)質(zhì)上重構(gòu)了智能手機(jī)OLED的標(biāo)準(zhǔn)制造工藝，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)定非晶基質(zhì)中固定手性結(jié)構(gòu)。這為制造圓偏振LED提供了切實(shí)可行的解決方案，攻克了該領(lǐng)域長期存在的難題。"

這項成果源于劍橋大學(xué)與埃因霍溫理工大學(xué)長達(dá)數(shù)十年的合作。埃因霍溫理工大學(xué)Bert Meijer教授指出："這是手性半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的真正突破。通過精心的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們首次實(shí)現(xiàn)了材料手性與電子運(yùn)動的耦合。"

目前，有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超600億美元。除顯示技術(shù)外，這一突破對量子計算和自旋電子學(xué)領(lǐng)域也具有重要意義——這些領(lǐng)域利用電子的自旋角動量進(jìn)行信息存儲和處理，有望開發(fā)出更快、更安全的計算系統(tǒng)。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/science.adt3011