[논문 리뷰] Inverting Singlet and Triplet Excited States using Strong Light-Matter Coupling

Elad Eizner, Luis Á. Martínez-Martínez외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 21.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유기 마이크로레진에서 강한 빛-물질 결합을 통해 산화 상태와 삼중자극 상태의 에너지 순서를 완전히 뒤바꿈함을 보여주며, 삼중자극 상태보다 에너지가 낮은 하위 펄서론 상태를 달성한다. 큰 에너지 이동에도 불구하고, 분산화와 어둠진 엑시톤 저장소와의 경쟁로 인해 하위 펄서론 상태로의 역간섭계교환(RISC) 속도는 순수 분자와 비교해 변화가 없다.

ABSTRACT

In organic microcavities, hybrid light-matter states can form with energies that differ from the bare molecular excitation energies by nearly 1 eV. A timely question, given recent advances in the development of thermally activated delayed fluorescence materials, is whether strong light-matter coupling can be used to invert the ordering of singlet and triplet states and, in addition, enhance reverse intersystem crossing (RISC) rates. Here, we demonstrate a complete inversion of the singlet lower polariton and triplet excited states. We also unambiguously measure the RISC rate in strongly-coupled organic microcavities and find that, regardless of the large energy level shifts, it is unchanged compared to films of the bare molecules. This observation is a consequence of slow RISC to the lower polariton due to the delocalized nature of the state across many molecules and an inability to compete with RISC to the dark exciton reservoir, which occurs at a rate comparable to that in bare molecules.

연구 동기 및 목표

• 강한 빛-물질 결합이 유기 마이크로레진에서 산화 상태와 삼중자극 상태 간의 에너지 순서를 뒤바꿀 수 있는지 조사하기.
• 강한 결합이 유기 반도체에서 역간섭계교환(RISC) 속도에 미치는 영향을 규명하기.
• 강결합 시스템과 순수 분자 필름 간의 RISC 속도를 측정하고 비교하기.
• 강결합 조건에서 분산화된 펄서론 상태와 어둠진 엑시톤 저장소가 RISC 동역학에 미치는 역할을 이해하기.
• 펄서론 공학이 열활성 지연 발광(TADF) 재료의 성능 향상에 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• 강한 빛-물질 결합을 가능하게 하기 위해 TADF 분자를 포함한 유기 마이크로레진의 제작.
• 산화 상태와 삼중자극 상태의 초고속 동역학을 탐사하기 위해 펄스 레이저 소스를 이용한 시스템 자극.
• 순수 필름과 강결합 마이크로레진 양쪽에서 RISC 속도를 측정하기 위해 시간 해상도가 높은 형광 스펙트로스코피의 활용.
• 에너지 준위 이동과 펄서론 분리 정도를 분석하여 산화 상태와 삼중자극 상태 순서의 뒤집힘을 확인하기.
• 하위 펄서론 상태와 어둠진 엑시톤 저장소 간의 RISC 속도를 비교하여 주요 비가역 경로를 분리하기.
• 관측된 에너지 준위 뒤집힘과 RISC 동역학을 해석하기 위해 양자역학적 모델링의 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 빛-물질 결합이 유기 마이크로레진에서 산화 상태와 삼중자극 상태의 에너지 준위를 완전히 뒤바꾸는가?
• RQ2 강한 결합은 하위 펄서론 상태로의 역간섭계교환(RISC) 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 고립된 분자와 비교할 때 분산화된 펄서론 상태는 RISC 동역학을 어떻게 수정하는가?
• RQ4 어둠진 엑시톤 저장소의 존재는 강결합 시스템에서 RISC 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 펄서론 상태의 큰 에너지 이동은 TADF 재료의 기본 RISC 메커니즘에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험적으로 하위 펄서론 상태가 삼중자극 상태보다 낮은 에너지 수준에 위치한 산화 상태와 삼중자극 상태의 완전한 뒤집힘을 입증하였다.
• 에너지 준위 이동이 거의 1 eV에 이르는 상황에서도, 하위 펄서론 상태로의 RISC 속도는 순수 분자 필름과 비교해 변화가 없었다.
• 변화가 없는 RISC 속도는 하위 펄서론 상태의 분산화 성질로 인해 대칭성과 위상 일관성 제약으로 인해 효율적인 RISC가 어렵기 때문으로 기인되었다.
• 어둠진 엑시톤 저장소로의 RISC 속도는 순수 분자에서와 유사한 수준이었으며, 이는 이 경로가 여전히 주요 경로임을 시사한다.
• 이 연구는 강결합이 하위 펄서론 상태에서 RISC 속도를 향상시키지 못함을 확인하였으며, 펄서론 매개 RISC 가속화에 대한 기존의 가정을 도전한다.
• 결과적으로, 경쟁적 비가역 경로의 중요성과 강결합 유기 시스템에서의 분산화로 인한 제약 조건의 중요성을 부각시킨다.