在半导体研究领域，一项重大突破为电子产品的未来发展带来了曙光。由剑桥大学和埃因霍温理工大学的研究人员组成的团队，攻克了有机半导体领域存在数十年的难题，为众多技术进步开辟了新途径。
长久以来，在有机半导体中操控电子一直是个复杂且难以攻克的课题。但此次合作研究成功制备出一种创新的有机半导体，能让电子呈螺旋状运动。这一独特特性意义深远，尤其在提升电视和智能手机屏幕中 OLED 显示器的效率方面潜力巨大，同时也有望为自旋电子学和量子计算等新兴计算技术提供动力支持。
研究人员开发的这种半导体能够发射圆偏振光，这种光携带了电子 “手性” 的相关信息。大多数无机半导体，比如硅，其内部结构是对称的，电子在其中运动时没有特定方向。而新的有机半导体的灵感则来源于自然界。在自然界中，许多分子具有手性结构，就像人的双手一样，手性分子互为镜像。手性在 DNA 形成等生物过程中起着关键作用，但在电子学领域，要驾驭和控制手性却困难重重。
研究人员从自然界获取灵感，运用分子设计策略，引导半导体分子堆叠形成有序的右旋或左旋螺旋柱，成功制备出了手性半导体。他们的研究成果发表在了著名的《科学》杂志上。
手性半导体最具前景的应用领域之一是显示技术。当前的显示器由于屏幕滤光方式的问题，往往存在大量的能源浪费。而研究团队开发的手性半导体，其发光方式能减少这些损耗，让屏幕更明亮且节能。
图：旋转扭曲光：为下一代电子产品供能的新希望
来自剑桥大学卡文迪许实验室的理查德・弗兰德爵士教授是这项研究的共同负责人，他分享了自己的见解：“我刚开始研究有机半导体时，很多人对其潜力持怀疑态度。但如今，有机半导体在显示技术领域占据了主导地位。与刚性的无机半导体不同，分子材料具有无与伦比的灵活性。这就好比我们有一套可以随意组合各种形状的乐高积木，而不只是标准的长方形砖块。”
这种新开发的半导体基于一种名为三氮杂苝（TAT）的材料。TAT 具有自组装成螺旋堆叠结构的特性，能让电子像螺丝纹一样沿着其结构螺旋运动。
来自埃因霍温理工大学的共同第一作者马尔科・普罗伊斯解释说：“当受到蓝光或紫外线激发时，自组装的 TAT 会发出明亮的、具有强圆偏振特性的绿光。在此之前，这种效果在半导体中很难实现。TAT 的结构不仅能让电子高效运动，还会影响其发光过程。”
通过改进 OLED 制造技术，研究人员成功将 TAT 整合到实用的圆偏振 OLED（CP - OLED）中。这些设备在效率、亮度和偏振水平方面都打破了记录，成为同类产品中的佼佼者。
同样来自剑桥大学卡文迪许实验室的共同第一作者里图帕诺・乔杜里表示：“我们基本上重新设计了制造 OLED（类似于智能手机中使用的那种）的标准工艺，这样就能将手性结构嵌入到稳定的非结晶基质中。这为制备圆偏振 LED 提供了切实可行的方法，而这一直是该领域梦寐以求的目标。”
这项研究是弗兰德研究团队与埃因霍温理工大学伯特・梅杰教授团队长达数十年合作的成果。梅杰教授强调了这一成果的重要意义：“这是手性半导体研发领域的真正突破。通过精心设计分子结构，我们成功地将结构的手性与电子的运动联系起来，这在以前从未达到过如此高的水平。”
手性半导体是有机半导体领域的一项重大进步，如今有机半导体支撑着价值超过 600 亿美元的产业。除了显示技术，这一发展对量子计算和自旋电子学也有重要意义。自旋电子学是一个利用电子的自旋（即固有角动量）来存储和处理信息的研究领域，有望带来更快、更安全的计算系统。
该研究部分由欧盟玛丽・居里培训网络和欧洲研究理事会资助。理查德・弗兰德是剑桥大学圣约翰学院的研究员，里图帕诺・乔杜里是剑桥大学菲茨威廉学院的成员。这项开创性的工作为电子学的新时代奠定了基础，在这个新时代里，光和电子的操控可能会带来变革性的技术突破。
