突破传统有机自由基稳定性和发光效率瓶颈，实现高效率红色双重态发光；相关成果有望应用于下一代OLED显示、智能窗户及光学量子比特量子信息处理等前沿领域。

 

近日，高丽大学世宗校区（副校长 梁智雲）新材料化学系魏景良（音）教授（위경량）与光电子新材料研究所安敏雅（音）博士（안민아）研究团队成功开发出一种高稳定性、高效率有机自由基阴离子发光材料。该材料即使在空气环境中暴露数月，仍能保持优异的红色发光性能和自旋特性，为下一代有机发光二极管（OLED）、量子计算以及量子通信等领域提供了新的材料解决方案。

 

长期以来，有机自由基发光材料因具有独特的电子结构，被认为是下一代分子量子技术和OLED的重要候选材料。然而，这类材料在空气中极易发生氧化和分解，导致稳定性不足，严重制约了其实际应用。针对这一难题，研究团队创新性地引入芳香环（Aromatic Ring）分子设计策略，显著提高了有机自由基发光材料的空气稳定性和发光效率。

 

值得关注的是，本项研究不仅突破了显示材料领域的技术瓶颈，还进一步验证了该材料作为光学量子比特（Optical Qubit）材料的应用潜力，为未来量子计算和量子通信技术的发展提供了新的可能。

 

本研究由新材料化学系硕士研究生金廷允（音）、李昭允（音）以及光电子新材料研究所研究员金敏智（音）共同担任第一作者，研究成果已发表于国际知名学术期刊《Advanced Science》。

 

论文题目为《Aromaticity-Engineered Open-Shell Radical Anions for Air-Stable Doublet Emission in N-Annulated Perylene Diimide》，DOI：10.1002/advs.75858。

 

传统OLED中使用的有机发光材料通常属于电子成对排列的闭壳层（Closed-shell）结构，而有机自由基则属于具有未成对电子的开壳层（Open-shell）结构。从理论上讲，开壳层自由基能够实现接近100%的发光效率。同时，未成对电子携带独特的自旋（Spin）信息，因此被认为是利用光实现量子信息写入、操控和读取的光学量子比特的重要候选材料。

 

然而，传统自由基阴离子具有极高的化学反应活性，在室温及空气环境下往往无法保持发光性能，或迅速发生分解，因此难以作为量子信息存储和处理材料应用。

 

为解决这一问题，研究团队以N-稠合苝二酰亚胺（N-Annulated Perylene Diimide，PDIN）为基础，在其分子结构中依次引入苯、萘和芘等不同尺寸的芳香环，成功合成了一系列新型自由基阴离子发光分子（[PDI-MeR]⁻）。

 

研究发现，随着芳香环尺寸不断增大，分子内部通过空间实现直接电荷转移的空间电荷转移（Through-Space Charge Transfer，TSCT）效应明显增强。这一机制有效抑制了分子内部无效振动，减少了激发能以热能形式耗散，从而显著提高了材料的发光效率，并延长了发光寿命。

 

其中，引入芘环的自由基分子[PDI-MePY]⁻表现尤为突出。即使在空气中无需任何封装或保护措施，连续暴露数月后仍能够保持稳定的红色发光性能和原有自旋结构，同时实现了比传统自由基阴离子更高的发光效率和更长的发光寿命。

 

在此基础上，研究团队进一步开发出一种Turn-on型电致变色/电致发光变色智能器件。该器件能够随着施加电压的变化，在高透明度橙色与绿色之间切换；在紫外光照射下，则可产生强烈的红色发光，展现出优异的光电响应性能。

 

研究团队表示，通过电学和光学刺激可以精确调控分子的自由基状态及未成对电子的自旋状态，这意味着未来有望开发基于自旋的光学量子比特器件以及量子存储硬件，实现利用光完成量子信息的写入、擦除和读取。

 

魏景良（音）教授表示：“本研究通过分子层面的精确设计，对长期以来因空气环境稳定性不足而难以应用的有机自由基离子的电子结构和自旋结构进行了系统优化，实现了稳定性与发光效率的同步提升。这不仅为下一代高效率OLED显示器和智能窗户提供了新的材料方案，也有望成为推动室温运行量子计算机关键技术——光学量子比特及分子量子信息科学与技术（QIST）发展的重要突破。”

 

据了解，本研究获得韩国科学技术信息通信部（MSIT）和韩国研究财团（NRF）中坚研究者支持项目及国家重点研究实验室项目的资助。研究团队表示，未来将进一步推进该材料在新一代显示技术、智能光电子器件以及量子信息处理领域的应用研究，为高性能光电器件和量子信息技术的发展提供新的技术支撑。

 

高丽大学世宗校区宣传集资部

翻译：赵炫怡