[論文レビュー] Anomalous circularly polarized light emission in organic light-emitting diodes caused by orbital-momentum locking

Wan Li, Yizhou Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Synthesis and Properties of Aromatic Compounds被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、キラルなポリマー系OLEDにおいて、軌道角運動量のロックインというトポロジカルな電子的性質に起因する、異常な円偏光（CP）光放射を明らかにした。この現象により、前方および後方からの放射が、それぞれ反対のヘリシティを示す。この方向依存性のCP放射は、バックエレクトロードからの反射によるキャンセルを抑制し、ネットの円偏光を数個のオーダー以上に増幅させ、高効率なキラル光電デバイスの実現を可能にする。

ABSTRACT

Chiral circularly polarized (CP) light is central to many photonic technologies, from optical communication of spin information to novel display and imaging technologies. As such, there has been significant effort in the development of chiral emissive materials that allow for the emission of strongly dissymmetric CP light from organic light-emitting diodes (OLEDs). A consensus for chiral emission in such devices is that the molecular chirality of the active layer determines the favored light handedness of CP emission, regardless of the light-emitting direction. Here, we discover that, unconventionally, oppositely propagating CP light exhibits opposite handedness, and reversing the current-flow in OLEDs also switches the handedness of the emitted CP light. This direction-dependent CP emission boosts the net polarization rate by orders of magnitude by resolving an established issue in CP-OLEDs, where the CP light reflected by the back electrode typically erodes the measured dissymmetry. Through detailed theoretical analysis, we assign this anomalous CP emission to a ubiquitous topological electronic property in chiral materials, namely the orbital-momentum locking. Our work paves the way to design new chiroptoelectronic devices and probes the close connections between chiral materials, topological electrons, and CP light in the quantum regime.

研究の動機と目的

• 金属電極からのバックリフレクションによって生じるCP-OLEDにおけるネットの円偏光の低下という長年の問題を解決すること。
• キラル材料に内在するトポロジカルな電子的性質が、電荷再結合発光において非従来的CP放射行動を誘発できるかどうかを調査すること。
• OLEDにおける電流の流れの方向が、放出されるCP光のヘリシティを反転させることを実証し、従来の予想を覆す事実を明らかにすること。
• 軌道角運動量のロックインと有機半導体における強化されたキラル光電応答との間に理論的リンクを確立すること。

提案手法

• ITO、PEDOT:PSS、TFB、TPBi、Ca、Al、またはZnO/PEIE、TCTA、MoOx、Auを用いたホール/電子輸送層および電極層を備えた、従来型およびインバーテッドOLEDデバイスを、キラルな高分子発光体（F8BT:[P]-aza[6]helicene）を用いて作製した。
• VASPを用いたab initio密度汎関数理論（DFT）計算により、ねじれ配置をとるキラルF8BT集合体の電子波動関数および電荷密度を計算した。
• 平面波基底セットを用いてCP電気双極子遷移振幅を計算し、行列要素をGベクトルの和として表現した：$ I_{R/L} \propto \left| \sum_{G_x, G_y, G_z > 0} c^{1}_{\mathbf{G}} \left( \frac{\partial c^{0}_{\mathbf{G}}}{\partial G_x} \mp i \frac{\partial c^{0}_{\mathbf{G}}}{\partial G_y} \right)^* \right|^2 $、エネルギー保存則はデルタ関数を用いて組み込んだ。
• 実空間におけるトポロジカル位相の巻きつきを定量化するため、軌道角運動量（OAM）巻きつき数 $ l = \frac{1}{2\pi} \oint_C d\mathbf{r} \cdot \boldsymbol{\nabla}_r \varphi(\mathbf{r}) $ を定義した。
• 対称性制約を分析：反転対称性および時間反転対称性の欠如により、$ I_R \neq I_L $ が可能となり、キラル放射が実現可能となる。
• 前方および後方からの実験的CP-ELを比較し、軌道角運動量のロックインに関する理論的予測と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル有機半導体における軌道角運動量のロックインは、OLEDにおける方向依存性の円偏光発光を誘発できるか？
• RQ2 従来の予想とは対照的に、金属電極からのバックリフレクションにもかかわらず、CP-OLEDにおけるネットの円偏光がなぜ高いままであるのか？
• RQ3 電流の流れの方向が、キラルOLEDにおける放出される円偏光光のヘリシティにどのように影響を与えるか？
• RQ4 OAM巻きつきといったトポロジカルな電子的性質が、有機デバイスにおける異常なキラル光電応答を可能にする役割は何か？

主な発見

• キラルポリマーOLEDにおける前方および後方からのCP放射は、それぞれ反対のヘリシティを示し、両方向で同一のヘリシティを示すという従来の予想を覆す。
• 異常なCP放射は、キラル材料固有のトポロジカルな電子的性質である軌道角運動量のロックインに起因し、これにより $ I_R = I_L $ を強制する対称性制約が破られる。
• 今や、反射光は前方放射と同一のヘリシティを持つため、偏光キャンセルが解消され、ネットの円偏光が数個のオーダー以上に増幅される。
• デバイス内での電流の流れの方向が、放出されるCP光のヘリシティを制御でき、電気的スイッチングによる円偏光制御が可能となる。
• 理論的計算により、反転対称性および時間反転対称性の欠如が $ I_R \neq I_L $ を可能にすることが確認され、OAM巻きつき数 $ l $ が波動関数位相構造のトポロジカル性質を定量的に示している。
• 観測されたCP-EL強度および不斉性因子は、光励起発光のそれと同等または上回っており、キラル光電デバイスにおける長年の不一致を解消した。