旋转扭曲的光线或将为下一代电子设备供电

研究人员在有机半导体领域取得了一项数十年难题的突破，为未来电子技术开辟了新可能。由剑桥大学和埃因霍温理工大学领导的团队开发出一种新型有机半导体，该材料迫使电子以螺旋轨迹运动。这一发现有望提升电视和智能手机OLED屏幕的能效，或为自旋电子学和量子计算等下一代计算技术提供动力。

这种新型半导体能够发射圆偏振光——意味着光线携带着电子"手性"的信息。大多数无机半导体（如硅）的内部结构是对称的，电子在其中可以自由移动而无特定方向偏好。

然而在自然界中，分子通常具有手性（左旋或右旋）结构：就像人类双手一样，手性分子互为镜像。这种特性在DNA形成等生物过程中起着关键作用，但在电子器件中一直难以有效控制。

研究团队通过借鉴自然界的分子设计策略，成功开发出具有手性特征的半导体材料。他们通过精确控制半导体分子的排列，形成了有序的右旋或左旋螺旋柱状结构。相关研究成果已发表于《科学》杂志。

手性半导体在显示技术领域展现出巨大潜力。当前显示屏幕由于需要过滤光线，往往造成大量能量浪费。研究人员开发的手性半导体能够以自然发射圆偏振光的方式工作，可显著降低这类能量损耗，使屏幕更亮且更节能。

该研究的共同负责人、剑桥大学卡文迪许实验室的Richard Friend教授表示："我开始研究有机半导体时，许多人都质疑其潜力，但现在它们已成为显示技术的主流。与刚性的无机半导体不同，分子材料具有惊人的可塑性——让我们能够设计像手性LED这样的全新结构。这就像用你所能想象的各种形状的乐高积木搭建，而不仅仅是标准的长方体。"

该半导体基于一种名为三氮杂苯（TAT）的材料，这种材料能够自组装成螺旋堆叠结构。电子在其中运动时就像沿着螺丝的螺纹旋转前进。

来自埃因霍温理工大学的共同第一作者Marco Preuss解释道："当受到蓝光或紫外线激发时，自组装的TAT会发射出具有强圆偏振性的明亮绿光——这种效应此前在半导体中极难实现。TAT的结构不仅允许电子高效移动，还能直接影响光的发射方式。"

通过改进OLED制造工艺，研究团队成功将TAT材料应用于圆偏振OLED（CP-OLED）器件。测试显示，这些器件在效率、亮度和偏振度等方面均创下新纪录，成为同类产品中的佼佼者。

剑桥大学卡文迪许实验室的共同第一作者Rituparno Chowdhury表示："我们实质上重构了智能手机OLED的标准制造工艺，实现了在稳定非晶基质中固定手性结构。这为制造圆偏振LED提供了切实可行的解决方案，攻克了该领域长期存在的难题。"

这项成果源于剑桥大学与埃因霍温理工大学长达数十年的合作。埃因霍温理工大学Bert Meijer教授指出："这是手性半导体制造领域的真正突破。通过精心的分子结构设计，我们首次实现了材料手性与电子运动的耦合。"

目前，有机半导体产业规模已超600亿美元。除显示技术外，这一突破对量子计算和自旋电子学领域也具有重要意义——这些领域利用电子的自旋角动量进行信息存储和处理，有望开发出更快、更安全的计算系统。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/science.adt3011