维度网讯，南京师范大学刘宏微和东南大学倪振华团队合作，通过精确调控温度，在二维有机分子晶体中成功实现了暗激子态到亮激子态的可控切换，并在低温下观察到超辐射效应。
二维有机分子晶体中强烈的跃迁偶极-偶极相互作用使激子态分裂为亮激子和暗激子。暗激子因辐射寿命长且非辐射特性，在量子信息处理、玻色-爱因斯坦凝聚和光捕获系统中有应用潜力；亮激子则因自发相干发射产生的超辐射效应，适用于片上光通信、瞬态发光器件和高量子产率有机发光二极管。因此，精确调控两种激子态对实现高效率发光和量子应用至关重要。近年来研究发现，通过控制分子堆积方式改变分子间电子耦合强度，可直接影响激子能带中亮态与暗态的能级顺序和光学特性。该团队选用特定聚集态的二维分子晶体C8-BTBT作为研究对象，尝试通过温度调控实现激子态切换。
团队首先构建了特定聚集态的二维分子晶体C8-BTBT，实验发现低温下二维有机晶体的聚集模式从H-聚集转换为Hj-聚集，从而使非辐射的暗激子转化为辐射的亮激子态。这一转变显著增强了材料发光效率，并在低温下引发超辐射效应。
在室温下，研究团队利用光致发光（PL）光谱研究了二维分子聚集体的光学性质。与单体溶液相比，所有聚集态薄膜的PL光谱均明显红移，这主要源于聚集态中Frenkel激子与分子间电荷转移激子的耦合。根据Franck-Condon原理，前两个PL峰强度比R01反映了电子-振动耦合强度。润湿层（WL，H-聚集）的R01为0.75，表明其0-0跃迁并未完全禁戒，归因于室温下较弱的热激活效应。而单层及以上晶体（J-聚集）则表现出以显著0-0跃迁为特征的PL光谱，但随层数增加R01值逐渐减小。
时间分辨光致发光测量揭示了WL和单层晶体激子动力学的本质差异。WL的PL衰减寿命为720皮秒，显著短于单层的2.4纳秒，表明其发光由寿命更短的电荷转移态主导。光致发光量子产率（PLQY）测量显示，在低激发密度下单层量子产率约10%，而WL低于0.1%，这直接归因于WL中H-聚集效应占主导，激子能带底部为暗态。研究还发现高激发速率下WL出现效率滚降现象，因激子无法快速辐射复合导致非辐射通道增加。这些结果共同表明WL在室温下本质上是低效发光体系。
变温PL测量进一步揭示了激子行为的温度依赖性。随温度降低，WL和单层的0-0发射带强度增强，光谱线宽窄化，激子相干长度扩展。WL峰位红移幅度远大于单层，暗示其能带结构发生根本改变。量化分析表明，0-0峰强度与激子热相干数NT的平方成正比。77K时WL的相干数达NT=78，单层为NT=37；300K时分别降至NT=3和NT=9，凸显WL激子相干性对温度极为敏感。对应的WL光致发光量子产率在77K时跃升至62%，较室温提升超过两个数量级。
基于第一性原理计算的理论拟合与实验数据高度吻合。1L的PL强度与温度倒数呈单一斜率关系，表明其J-聚集行为主要受热涨落影响。而WL呈现双区行为，对应两种机制：高温时激子局域在单个分子附近，激子能带底部为暗态；低温时激子相干长度增加，次近邻偶极的相干耦合驱动分子排列从H-聚集转变为Hj-聚集，能带底部从暗态转变为亮态，打开高效辐射通道。对0-0带与0-1带强度比R01的分析提供了超辐射的直接证据，WL中ln(R01)随温度倒数呈完美线性变化，这是超辐射的典型特征，表明大量相干偶极集体辐射。
该研究系统揭示了WL的C8-BTBT晶体在低温下从暗激子态到亮激子态的转变，这归因于H-聚集到Hj-聚集的转变。材料在77K时发光量子产率达62%，PL强度、激子线宽和R01的温度依赖性提供了超辐射的证据。研究显示，通过有机聚集工程和温度控制，可以有效调控激子的相干性和辐射效率，为开发低温光电探测器、高效率OLED和量子信息器件提供了理论基础。
