研究人员开发出首例单分子LED

诸平

据物理学家组织网（phys.org）2014年2月3日报道，为了挑战发光二极管（LED）最小化极限，法国史特拉斯堡大学（The Institut de Physique et de Chimie des Matériaux de Strasbourg）、法国第六大学（即皮埃尔和玛丽居里大学，Université Pierreet Marie Curie)以及法国国家科学研究院的研究人员合作已经开发出由单个分子构成的LED。

Artist impression of electroluminescence ina single polythiophene molecular wire suspended between the tip and the surfaceof a scanning tunneling microscope. Credit: G. Reecht et al., Phys. Rev. Lett.(2014)

图2．从聚噻吩链上去除两个电子时产生的双极化子。

   该LED是由一根聚噻吩（polythiophene）线放置在扫描隧道显微镜和黄金表面之间而形成。它只有当电流通过时才会沿某一方向发光。这个实验绝妙地揭示了电-光之间转化设备的最小尺度。此外,它也代表了创建未来分子计算机组件向前迈进了一大步。这项工作不久前已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表——Gael Reecht, Fabrice Scheurer, Virginie Speisser, Yannick J. Dappe, Fabrice Mathevet, Guillaume Schull. Electroluminescence of a Polythiophene Molecular Wire Suspended between a Metallic Surface and theTip of a Scanning Tunneling Microscope. Physical Review Letters, January 28, 2014,  DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.047403.

发光二极管本身就是一个当电流通过时才会发光组件, 只在某一方向让光线通过。LED在日常生活中起着重要的作用如灯光指示器等，它们在照明领域也是前景辉煌,在照明领域正在逐步掌控市场。LED的主要优势就是可以使其尽可能变得非常小,所以可以获得点光源。考虑到这一点,LED最小型化障碍最近终于被法国研究人员所克服：他们联合攻克难关，已经生产出首例仅仅由一个分子构成的LED。为了实现LED最小化的目标,他们采用一根聚噻吩线，聚噻吩是一种良好的电导体。它是由氢、碳和硫三种元素组成的聚合物分子,而且可以用来制造更大的已经进入市场销售的LED灯具。聚噻吩线是一端连接扫描隧道显微镜尖端,另一端连接在黄金表面上。当电流通过这根纳米线时，科学家记录了发出的光。他们观察到用噻吩线制作的发光二极管:只有当电子从扫描隧道显微镜的尖端发出流向黄金表面时，LED才会发光。当极性逆转时,光发射则是微不足道的。与理论小组的科学家合作，研究表明当纳米线中一个负电荷(即一个电子)与一个正电荷（一个空穴）相结合时就会发光，而且将其大部分能量转移给了光子。每10万个电子注入噻吩线, 发射一个光子，其波长是在红色区。

从基本的观点来看,这个设备为研究人员提供了一种新工具，可以用来探测电导体发光时所产生的现象,而且就其规模而言，量子物理学的确要比经典物理学更胜一筹。科学家也能够优化材料，以便产生更强的光发射。不过,这项工作在制造分子大小、融光电性质为一体的组件方面已经迈出了可喜的第一步。类似的组件也很可能就是形成分子计算机的基础。更多信息请浏览原文。

   聚噻吩（Polythiophene，缩写PT）是噻吩聚合生成的高分子化合物。在通过掺杂向其共轭的π轨道引入或去除电子时，它可转变为导体。因此聚噻吩及其类似物是近些年的研究热门课题，2000年诺贝尔化学奖即是颁给研究这一主题的艾伦·黑格、艾伦·麦克德尔米德和白川英树。

   导电性是这些化合物最重要的性质，是由电子在聚合物主链上离域而产生。除了导电性以外，聚噻吩还有奇特的光学性质。在溶剂、温度、电位和其他分子等环境因素影响下，聚噻吩主链发生扭转，共轭结构被破坏，致使其迅速发生颜色的转变。上述特殊的电学和光学性质使聚噻吩和类似的共轭聚合物有作为传感器的潜在应用。