撰稿 / 張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)
圖1、Alq3/SiO2/Si 層狀結構的示意圖。
能量轉移(energy transfer，ET)在有機分子/無機半導體組成的光電元件中是提升元件效能的關鍵機制，2016年日本理化學研究所(RIKEN)成功以低溫掃描穿隧顯微術探測異質分子間的能量轉移，國立陽明交通大學電子物理系林俊良副教授，及該系羅志偉教授及鄭舜仁所組成的研究團隊，在當時沒有相關設備的條件下，以超快光激發-探測光譜學(optical pump-probe spectroscopy，OPPS)研究有機分子Alq3與矽(Si)組成之異質結構的能量轉移動力學，觀測到Alq3分子與矽之間能量轉移的現象，其行為與長程偶極-偶極交互作用(long-range dipole-dipole interaction)理論模型的計算吻合，此項成果發表於《奈米快報》(Nano Letters)[1]。
矽是現今半導體產業最重要的原料，相關製程技術都非常成熟，然而，矽是非直接能隙半導體，吸收和發射光的效率很差，不利開發作為光電材料。近期，雖然量子點與矽耦合的系統產生光致發光焠滅( photoluminescence(PL) quenching)，已經顯示有能量轉移，不過量子點的發光與尺寸有關。林俊良副教授團隊研究有機分子與矽組成的混合式元件，策略性選擇有機發光二極體材料Alq3作為施體(donor)，矽基板作為受體(acceptor)，中間嵌入奈米尺度不同厚度的二氧化矽層以防止電荷轉移，如圖1所示。Alq3具有高光吸收率與精確的已知結構，照光後，激子(exciton，電子從價帶受激發到導帶，與價帶留下來的電洞形成受束縛的電子電洞對)擴散並能量轉移通過界面與矽耦合，在矽中產生激子。Alq3具有波長不變的PL光譜，始觀測實驗結果不受施體PL的不穩定性影響。
一般研究激子動力學的三種光學方法為OPPS、時間解析光致發光(time-resolved photoluminescence，TRPL)、時間解析吸收光譜(time-resolved absorption spectroscopy，TRAS)。OPPS利用分成兩道的雷射脈衝：較強的激發(pump)脈衝激發樣品；與較弱的探測(probe)脈衝監控上一道脈衝所引發樣品的光學常數(如折射率)變化，從測量光學常數與兩脈衝間時間延遲之關係可獲得樣品電子態鬆弛(relaxation)的資訊，是研究超快電子動力學最簡單的實驗技術。團隊利用中心波長800 nm的飛秒雷射作為探測脈衝，其二次諧波(中心波長400nm)作為激發脈衝，從改變激發脈衝的光程差來控制時間延遲。圖2為脈衝打入Alq3/5.7 nm SiO2/Si的樣品後，暫態反射率變化(∆R/R)隨兩脈衝間時間延遲的關係，其中綠色數據點為實驗值，綠色實線為擬和結果，藍色虛線為無Alq3的SiO2/Si樣品做為參考值。
圖2、Alq3/5.7 nm SiO2/Si樣品的暫態反射率變化(∆R/R)光譜，綠色數據點代表實驗值，綠色實線代表擬合的結果，藍色虛線代表SiO2/Si樣品的(∆R/R)光譜，做為參考值。
團隊以三段不同時間尺度的動力學詮釋實驗結果(fastest、medium、slowest)，並發現slowest的過程(∆R/R緩慢回復)，鬆弛時間與中間SiO2層的厚度成函數關係，如圖3所示：
圖3、矽的鬆弛時間與SiO2層厚度的關係，虛線顯示單獨矽基板的鬆弛時間，綠色實現代表能量轉移效率的計算結果。
團隊認為，除了矽基板中激子的Shockley-Reed-Hall(SRH)重合機制，激發的Alq3分子亦對(∆R/R)有貢獻。Alq3被脈衝激發後形成偶極(dipole)，發射的PL光譜峰值為2.36 eV，因此激發分子偶極的能量應足以讓矽基板電子越過1.12 eV能隙再度激發激子。團隊提出Alq3偶極可透過近場庫倫作用力(長程偶極-偶極交互作用)將能量傳遞到矽，在矽產生激子。團隊依據長程偶極-偶極交互作用的模型計算此能量傳遞的效率，結果如圖3，其中灰色虛線代表沒有Alq3存在的結果。這項發現表明，激發Alq3分子除了發射PL也會經由ET來鬆弛。
林俊良副教授表示，此項研究工作在博士班學生戴毓展的努力下，一步一步完成，戴毓展目前正於日本物質材料機構(NIMS)從事為期一年的移地研究，增進自我實力，本項研究除了科學上的突破之外，對培育國內次世代的研究人才，具有實質的貢獻。
圖4、戴毓展同學操作實驗室架設的系統。(照片提供：林俊良副教授)
參考文獻
[1] Yu-Chan Tai et al., ‘Directly Unveiling the Energy Transfer Dynamics between Alq3 Molecules and Si by Ultrafast Optical Pump−Probe Spectroscopy’, Nano Letters 2023 23 (22), 10490-10497
