半导体中热载流子会通过载流子-声子散射在亚皮秒时间尺度内（＜100 fs）失去多余的能量，从而对光子能量的利用率造成极大的限制，也称Shockley−Queisser限制。研究表明，当离散能级的能量差大于光学声子能量（~ 10 meV）时，热载流子难以通过与声子的相互作用来有效地失去能量，这被称为声子瓶颈效应。为了减缓热载流子的冷却速度，通常采用具有离散能级的无机量子结构，通过激发产生声子瓶颈效应从而延缓热载流子。其中，离散能级之间的能量差（ΔEES）是决定热载流子冷却时间的关键因素，然而，ΔEES通常在几百 meV ，热载流子冷却时间一般在<1 ps时间尺度内，很难实际应用。
为了解决这个问题，南京邮电大学材料科学与工程学院、有机电子与信息显示国家重点实验室陈润锋教授课题组同河南师范大学秦朝朝副教授、印度理工学院古瓦哈提分校Tushar Debnath研究员展开合作，设计了一种形成分子间电荷转移（CT）的新型有机半导体材料。由于库仑相互作用和分子间 CT耦合之间的显著相互作用而使最低的单重激发态（S1）分裂成两个能级，形成三能级系统，两激发态能级之间的ΔEES可通过浓度调至 1.02 eV。值得一提的是，由于在分子聚集体中形成三能级系统，该工作首次在有机材料中发现了声子瓶颈效应。红外瞬态吸收光谱和电子自旋共振波谱仪进一步验证了该聚集体中存在自由载流子。飞秒瞬态吸收光谱观测到的载流子冷却过程极其缓慢，长达 72.3 ps。相比于单分子的双能级系统(<100 fs)的冷却时间，热载流子冷却时间提高了四个数量级，这凸显了具有有机分子聚集结构的体系在实现长寿命热载流子方面的潜力。此外，这些发现为了解有机半导体中电子-声子散射的内在光物理提供了宝贵的见解。该研究以题为“Stimulating Phonon Bottleneck Effect in Organic Semiconductors by Charge-Transfer-Mediated J-Aggregation”的论文发表在国际学术期刊Journal of the American Chemical Society上。南京邮电大学博士后方佳文和南京邮电大学讲师李平为该论文的共同第一作者。
图1 有机单分子的双能级系统和聚集态三能级结构示意图和相应的热载流子冷却时间
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.3c11262
（撰稿：李平 编辑：陈宁娜 审核：仪明东）