研究人员在有机半导体领域解决了一个存在几十年的挑战，为电子学的未来开辟了新的可能性。研究人员创造了一种有机半导体，使电子以螺旋模式移动，这可能提高电视和智能手机屏幕中OLED显示的效率，或为下一代计算技术如自旋电子学和量子计算提供动力。
研究人员在有机半导体领域解决了一个存在几十年的挑战，为电子学的未来开辟了新的可能性。
这项研究由剑桥大学和埃因霍温科技大学领导，研究人员创造了一种有机半导体，使电子以螺旋模式移动，这可能提高电视和智能手机屏幕中OLED显示的效率，或为下一代计算技术如自旋电子学和量子计算提供动力。
他们开发的半导体发出圆极化光，意味着光携带了关于电子“手性”的信息。大多数无机半导体（如硅）的内部结构是对称的，这意味着电子在其内部通过时没有优先方向。
然而，在自然界中，分子往往具有手性（左手或右手）结构：就像人类的手，手性分子是彼此的镜像。手性在生物过程中（如DNA形成）中起着重要作用，但在电子学中捕捉和控制手性是一个困难的现象。
但是，通过使用受到自然启发的分子设计技巧，研究人员得以创造出一种手性半导体，通过推动堆叠的半导体分子形成有序的右手或左手螺旋柱。他们的研究结果发表于《科学》杂志上。
手性半导体一个有前景的应用是在显示技术方面。目前的显示屏经常由于屏幕过滤光线的方式而浪费大量能量。研究人员开发的手性半导体自然以一种方式发光，可以减少这些损失，使屏幕更亮且更节能。
“当我开始研究有机半导体时，许多人对它们的潜力持怀疑态度，但现在它们在显示技术中占据主导地位，”剑桥大学卡文迪许实验室的理查德·弗里德教授说，他是这项研究的共同领导者。“与刚性无机半导体不同，分子材料提供了令人难以置信的灵活性——使我们能够设计全新的结构，如手性LED。这就像与不同形状的乐高积木一起工作，而不仅仅是长方形砖块。”
这种半导体基于一种叫做三氮杂芴（TAT）的材料，它自组装成螺旋堆叠，使电子能够沿着其结构螺旋移动，就像螺丝的螺纹。
“当受到蓝光或紫外光激发时，自组装的TAT发出明亮的绿色光，且具有强的圆极化特性——这一效果在半导体中直到现在都难以实现，”埃因霍温科技大学的共同第一作者马尔科·普鲁斯说。“TAT的结构使电子能够高效移动，同时影响光的发射方式。”
通过修改OLED制造技术，研究人员成功将TAT纳入工作中的圆极化OLED（CP-OLED）。这些设备显示出破纪录的效率、亮度和极化水平，使它们成为同类中的佼佼者。
“我们实际上重新改造了制作像在智能手机中那样的OLED的标准配方，使我们能够在稳定的、非结晶的基质中捕获手性结构，”剑桥大学卡文迪许实验室的共同第一作者Rituparno Chowdhury说。“这提供了一种实用的方法来创建圆极化LED，这是该领域长期无法实现的目标。”
这项工作是弗里德研究小组与埃因霍温科技大学的伯特·梅耶教授团队之间长达数十年的合作的一部分。“这是制造手性半导体的真正突破，”梅耶说。“通过精心设计分子结构，我们将结构的手性与电子的运动耦合在一起，而这在以前从未以这样的水平实现过。”
手性半导体代表了有机半导体领域的一次进步，现在该领域支持的行业价值超过600亿美元。除了显示技术，此发展还对量子计算和自旋电子学有影响——一种利用电子的自旋或固有角动量来存储和处理信息的研究领域，有可能导致更快速和更安全的计算系统。
这项研究部分得到欧盟的玛丽·居里培训网络和欧洲研究委员会的支持。理查德·弗里德是剑桥大学圣约翰学院的研究员。Rituparno Chowdhury是剑桥大学费茨威廉学院的成员。
