中国学者一作+通讯！Nature Photonics：轨道动量锁定引发的反常圆偏振效应！

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手性圆偏振光（CP）是许多光子技术的核心，如自旋信息的光通信和新型显示和成像技术。因此，研究人员在手性发射材料的开发方面已经作出了大量工作，使得能够从有机发光二极管(OLEDs)发射强烈不对称的CP光。已经被广泛接受的是，活性层的分子手性决定了这种器件中CP发射的有利的光手性，而与发光方向无关。

在这项工作中，以色列魏茨曼科学研究所Binghai Yan和伦敦帝国理工学院Li Wan等人发现，非常规地反向传播的CP光表现出相反的旋向性，并且反转OLEDs中的电流也改变了发射的CP光的旋向性。这种依赖于方向的CP发射将净偏振率提高了几个数量级。通过详细的理论分析，作者将这种反常的CP发射归因于手征材料中普遍存在的拓扑电子性质，即轨道动量锁定。作者的工作为设计新的手性电子器件铺平了道路，并探索了量子体系中手性材料、拓扑电子和CP光之间的密切联系。该工作以题为“Anomalous circularly polarized light emission in organic light-emitting diodes caused by orbital–momentum locking”发表在《Nature Photonics》上。

【反常圆偏振效应】

图1. 依赖于器件结构的圆偏振电致发光(CP-EL)

在手性发射材料的所有先前研究中，通常期望CP发射在从复合点开始的每个发射方向(向前和向后)上表现出相同的旋向性，因此器件内的任何背反射将反转向后传播的CP发射的旋向性，并抵消向前的CP发射，减少通过透明电极离开器件的EL圆偏振。因此，来自器件的EL圆偏振的幅度比在透射几何学中测量的相应CP-PL小得多，这不存在反射问题(图1a)。尽管构造半透明OLEDs可以在某种程度上减轻反射问题，但是这种策略降低了显示器的整体器件性能，违背了初衷。

在所有报道的CP-OLEDs和许多其他基于二维和钙钛矿材料的手性光电器件中，手性聚合物材料在其光致发光（PL）和EL中表现出显著的圆偏振，比其他手性发射系统强几个数量级(参见图2a)。当用这种材料构造光电器件时，它们的CP-EL与CP-PL或CD相比保持相等，或者有时甚至增强。尽管先前的理论和实验工作将强的光学CD归因于主要的激子起源，但是考虑到背电极反射的预期有害效应，这些分析不能解释EL器件中相当的或增强的圆偏振。

而作者发现了手性聚合物CP-OLEDs的异常发光现象。对于研究中的手性聚合物材料，CP-EL在向前和向后发射方向上表现出相反的旋向性，这与EL或PL中通常预期的相反(图1b)。利用这种依赖于方向的CP发射，后向反射光表现出与前向发射相同的旋向性，避免了在使用其他材料的器件中发生的偏振抵消，并提高了离开器件的CP-EL。

图2. 相对于电荷载流子流动方向的发射方向相关的CP发射

【理论分析】

图3. 轨道动量锁定和异常圆偏振效应（ACPE）图解

作者理论分析得出了反常圆偏振效应（ACPE）的机制，它包括两部分：(1)在手性分子/手性聚集体中，轨道角动量（OAM）被锁定在与固有动量平行或反平行的位置。相反的动量与相反的OAM在平衡时共存并相互抵消。(2)当电流流动时，一个动量被增强，而另一个动量被抑制，就像OAM一样。因此，导电电子/空穴在非平衡相中发生了OAM极化。直接的电子-空穴复合导致有限的OAM从载流子转移到CP光，从而导致ACPE。

【从头计算】

图4. 扭曲角堆积两个F8BT分子的手性和CP发射

此外，作者通过从头算定量估计了手性F8BT聚合物组装的ACPE和正常圆偏振效应（NCPE）。细化这种手性聚集体的精确原子结构是一项挑战。在不失去一般性的前提下，作者模拟了F8BT分子的手性堆叠，重点研究了与层状堆积结构的电荷输运方向相关的分子间手性。如图4所示，与单分子层相比，逆时针扭曲角为30°的两层叠加显著地改变了HOMO和LUMO波函数。通过计算涉及+z移动HOMO和LUMO的ACPE，作者得到了两（三）层堆叠的大不对称因子∣g EL∣为0.48（0.44），与实验g EL具有相同的数量级。OAM可以从x-y平面上的相位绕组数来评估（见图4c），验证了在|0±>和|1±>中的轨道动量锁定。因为|0,1>通常由许多平面波组成，所以l的总值不一定是一个整数。更好地了解手性聚合物组件的分子排列将有助于在未来的工作中提高计算的预测能力。

此外，作者的实验中电流诱导的磁化强度与轨道有关，而与电子态的自旋无关。如果电子自旋极化很重要，它将需要在器件中进行大量的自旋轨道耦合（SOC）。据作者所知，这些由轻量元素制成的有机聚合物表现出可忽略不计的SOC。尽管金属电极可能包含重元素，但对于SOC变化较大的Al、Ag和Au电极的圆偏振率基本相同。因此，电子自旋在ACPE中的作用可能可以忽略不计，尽管ACPE也可能出现在具有强SOC的系统中。ACPE是由手性诱导的轨道极化引起的，这与文献中讨论的手性诱导的自旋选择性效应不同。作者的实验证明了手性材料中电子轨道效应的一个重要结果。在这里，电子OAM是由CP光在反转电流时的偏手性翻转（光的自旋翻转）来表示的。

总结，作者报告一个异常现象，其中CP光发射的旋向性取决于发射方向。这种效应使我们能够设计出非常规的CP-OLED器件，它具有较大的g EL，且不受后电极反射的侵蚀。该工作表明手性信息可以从材料的几何形状转移到电子波函数，并进一步转移到光的自旋。

来源：高分子科学前沿

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