Overcomes the limitations of conventional organic radicals in stability and emission efficiency 

Achieves highly efficient red doublet emission through control of through-space charge transfer (TSCT) 

Expected to enable diverse applications ranging from next-generation displays and smart windows to optical qubit-based quantum information processing technologies 

 

A research team led by Professor Wie Kyungryang of the Department of Advanced Materials Chemistry and Dr. An Minah of the Center for Advanced Photonic Materials at Korea University Sejong Campus (Vice President Jiwoon Yang) has developed a highly stable and highly efficient organic radical anion emitter that maintains its intrinsic red emission and spin properties for several months even under ambient air conditions.

 

Organic radical emitters have attracted considerable attention as key materials for next-generation molecular quantum technologies and organic light-emitting diodes (OLEDs). However, their practical application has been hindered by poor stability, as they are easily degraded in air. The research team significantly improved both the stability and emission efficiency of organic radical emitters by introducing a novel molecular design incorporating aromatic ring structures.

 

Importantly, the study also demonstrates the potential of these materials as optical qubits, which are key components for quantum computing and quantum communication technologies.

 

Master's students Kim Jeongyun and Lee Soyoon from the Department of Advanced Materials Chemistry and researcher Kim  Minji from the Center for Advanced Photonic Materials contributed as co-first authors. The findings were published in the latest issue of Advanced Science.

 

The paper is titled "Aromaticity-Engineered Open-Shell Radical Anions for Air-Stable Doublet Emission in N-Annulated Perylene Diimide" (DOI: 10.1002/advs.75858).

 

Conventional organic emitters used in OLEDs generally possess a closed-shell electronic structure in which all electrons are paired. In contrast, organic radicals have an open-shell structure containing unpaired electrons, enabling a theoretical internal quantum efficiency of up to 100%.

 

Because unpaired electrons possess intrinsic spin information, they are considered promising candidates for optical qubits that enable the manipulation and readout of quantum information using light.

However, conventional radical anions are highly reactive and either fail to emit light or rapidly decompose under ambient conditions, limiting their use in stable quantum information storage and processing.

 

To overcome this challenge, the research team synthesized a new family of radical anion emitters ([PDI-MeR]) by systematically incorporating aromatic rings of varying sizes—including benzene, naphthalene, and pyrene—into an N-annulated perylene diimide (PDIN) molecular framework.

 

The newly developed emitters exhibited enhanced through-space charge transfer (TSCT), in which electrical charges move directly through space within the molecule, as the size of the aromatic ring increased.

 

This characteristic suppresses unnecessary molecular vibrations and prevents energy loss through non-radiative thermal dissipation, thereby improving both emission efficiency and molecular lifetime.

In particular, the pyrene-containing organic radical ([PDI-MePY]⁻) maintained its intrinsic spin structure and red emission for several months under ambient air without requiring any protective encapsulation. It also demonstrated both higher photoluminescence efficiency and a longer emission lifetime than previously reported radical anion emitters.

 

Based on the newly developed material, the researchers further demonstrated turn-on electrochromic and electroluminochromic smart devices that switch color from highly transparent orange to green under applied voltage and exhibit intense red emission under ultraviolet irradiation.

 

The ability to control the radical state and the presence of unpaired-electron spins through electrical and optical stimuli highlights the potential for future spin-based optical qubits and quantum memory hardware capable of writing and erasing quantum information using light.

 

Professor Wie stated, "This study demonstrates that the electronic and spin structures of organic radical ions, which have long been difficult to utilize because of their instability under ambient conditions, can be precisely engineered at the molecular level to simultaneously achieve high stability and efficiency. Beyond next-generation high-efficiency OLED displays and smart windows, this work could provide a breakthrough for the development of optical qubits and molecular quantum information science and technology (QIST), which are essential for future room-temperature quantum computers."

 

This research was supported by the Ministry of Science and ICT and the National Research Foundation of Korea (NRF) through the Mid-Career Researcher Program and the National Research Laboratory Program.

 

Korea University Sejong Campus
Office of External Relations