香港城大李振声团队：电荷转移配合物在光电器件中的应用

通讯单位：香港城市大学

研究背景经过数十年的研究，有机光电器件取得了重大进展。同时，科学家对器件物理和电荷转移（CT）态在器件中作用的理解越来越深入。CT态是由供体和受体之间的电荷转移相互作用形成的。当电荷转移的程度足够高时，可形成电荷转移配合物（CTC）。根据其形成机制，CTC可分为基态电荷转移配合物（GSC）和激发态电荷转移配合物（exciplex）。GSC的新奇光电特性，包括其异常高的电导率，长波长光子吸收，载流子产生等已应用于各种光电器件。另一方面，对于exciplex的研究更倾向于exciplex发光和吸收。最近的实验证据加深了对CT态的理解，它们的新应用也不断被发掘。由于目前对CTC在不同光电器件中应用的综述比较有限，本文旨在简要介绍近年来CTC的新应用并将CT性质与器件性能关联起来。

拟解决的关键问题本文通过总结近年来CTC在光电器件中的应用光电器件应用，分析对比了GSC和exciplex的相似点与区别，提出了对CTC及其发展方向的见解。

研究思路剖析本文分别介绍了GSC和exciplex在光电器件中应用的最新研究进展，分析了其性质对光电器件性能的影响。对比分析了两者之间的区别与相似点，通过最新的研究突破总结了对CTC的新见解以及CTC在光电器件中应用的探索方向。

图文简介

图1. GSC和exciplex中的电荷转移过程要点1. 两种CTC的电荷转移过程：CTC是由两个供体和受体的分子轨道杂化形成。图1展示了GSC和exciplex的电荷转移过程。当供体的最高占据分子轨道（HOMO）高于受体的最低未占分子轨道（LUMO）, 电荷转移可在基态下自发发生，并形成GSC，exciplex的形成则需要外部条件的激发。

图2. GSC中芯能级与HOMO能级变化及其对电荷传输性质的影响（Lee et at. J. Mater. Chem. C, 2020,8, 16725-16729）

图3. 界面形成GSC提高器件稳定性（Lee et at. Adv. Mater. Interfaces (2014) 1 (3),1300082）要点2. GSC的新奇电学性质：相比于形成GSC的供体和受体，GSC有着许多与之不同的性质。图2展示了有机与无机半导体混合GSC的双极载流子传输性质，并展示了分子轨道的改变对此性质的影响。此外，器件中形成GSC对器件稳定性也有很大影响，在界面形成GSC可以大幅提高稳定性（图3）。

图4. 单组分CTC的分子间电荷转移及其性质（Lee et at. Adv. Funct. Mater. (2019) 29 (38), 1903112）要点3. GSC的近红外应用：红移吸收是形成GSC的一个标志性特征，已被用于制备近红外光探测器。除此之外，图4展示了同种分子之间的电荷转移也可形成GSC，此GSC的红移吸收和发光特性，可用于近红外有机发光二极管（OLED）。

图5 形成钙钛矿的组分之间的界面能级结构（Lee et at. ACS applied materials &

interfaces (2015) 7 (36), 20280.）要点4 钙钛矿中的电荷转移特性：除了传统有机和无机半导体中的电荷转移，最新的X射线/紫外光电子能谱（XPS/UPS）分析（图5）发现，钙钛矿的形成过程也显示了离子性CT特性，这对于研究钙钛矿太阳能电池中的光电荷产生有重要意义。

图6 Exciplex的CT吸收测试（Kim et at. Org. Electron. (2018) 62, 511.）要点5 Exciplex中的CT吸收及对exciplex的新理解：传统观点认为exciplex和GSC的区别在于有无基态红移吸收。除了使用高灵敏度的探测手段外，Jang-Joo Kim等人用简单的反射-透射测试发现一些构成exciplex的材料也能显现出红移吸收（图6）。

图7 形成exciplex的材料之间的界面能级结构及其对发光特性的影响（Lee et al. Advanced Materials,26(31), 5569-5574.）要点6 Exciplex发光及CT界面的关系：除了探测到exciplex材料中的CT吸收，图7中UPS分析也展示了形成exciplex的材料之间在基态下的CT相互作用，并且不同的相互作用对exciplex发光特性有不同影响。吸收和界面能级分析揭示了exciplex在基态下的CT特性，证明了形成exciplex的材料在基态下也有相互作用，这对于理解这类材料产生了新见解。要点7 Exciplex吸收在近红外光探测器中的应用：虽然exciplex也显现出红移吸收，但是其强度远比GSC弱。利用光学微腔可增强CT吸收效果，可用于制备近红外光探测器( Vandewal et at. Nat Commun 8, 15421 (2017))。这也证明了一些原本在GSC中发现的性质，在某些exciplex中也能实现。理解两者之间更多的区别与联系有助于进一步应用。

意义分析本文总结了两种CTC (即GSC和exciplex)在光电器件中的应用并分析了电荷转移对器件性能的影响。在以往的研究中，对GSC的研究侧重于探索其新性质，对exciplex的研究则侧重于其在高性能OLED和有机太阳能电池（OPV）中的作用。近年来的研究进展显示这两种CTC之间存在着一些相似性质，这加深了对电荷转移机理和CTC的新奇性质的理解。更加深入的研究CT性质对研究电荷转移在器件中的作用及探索CTC的更多新奇性质有重要意义。

原文链接D. Shen, W.-C. Chen, M.-F. Lo*, C.-S. Lee*, Charge-Transfer Complexes and Their Applications in Optoelectronic Devices, Materials Today Energy, 100644 (2021). DOI: 10.1016/j.mtener.2021.100644

作者简介李振声教授：香港城市大学化学系系主任，材料化学讲座教授及香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF)主任。主要研究领域包括：有机光电材料及器件，材料界面科学，纳米生物医学等。在相关领域发表SCI论文700余篇，被引用48000余次（H-index 111），著作5部，获准美国专利16项，已主持香港研资局优配研究基金、科技创新署与香港城市大学资助等的科研项目超过50余项。同时，担任国际期刊《Materials Today Energy》主编，《Thin Solid Films》的副编辑，Nature Publishing group-《Asian Materials》的顾问委员会成员，《Materials Today》和《Materials Research Express》及《Physica Status Solidi》多个国际期刊的编委会成员。

期刊介绍

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（编辑：南京站长网）

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