有机半导体是一类由于其独特性质而在各种电子设备中得到应用的材料。影响这些有机半导体的光电特性的一个属性是它们的“激子结合能”，即将激子分为负成分和正成分所需的能量。

由于高结合能会对光电器件的功能产生显着影响，因此低结合能是理想的。这有助于减少有机太阳能电池等设备的能量损失。

虽然已经研究了几种设计低结合能有机材料的方法，但准确测量这些能量仍然是一个挑战，这主要是由于缺乏合适的能量测量技术。

为了推进这一领域的研究，日本千叶大学工程研究生院的HiroyukiYoshida教授领导的研究小组现已揭示了有机半导体的激子结合能。

他们的研究在线发表在《物理化学快报》杂志上。千叶大学工学研究生院杉江爱女士、理化学研究所突发物质科学中心的中野恭平博士和田岛圭介博士以及广岛大学应用化学系的ItaruOsaka教授参与了研究吉田教授承担了这项研究。

吉田教授说：“在这项研究中，揭示了有机半导体中激子结合能的先前未预测的性质。鉴于我们研究的基本性质，我们预计会对现实生活产生长期和持续的影响，无论是可见的还是不可见的应用程序。”

该团队首先通过实验测量了42种有机半导体的激子结合能，其中包括32种太阳能电池材料、7种有机发光二极管材料和三种并五苯晶体化合物。

为了计算激子结合能，研究人员计算了结合激子与其“自由载流子”态之间的能量差。前者由与光吸收和发射相关的“光学间隙”给出，而后者由“传输间隙”给出，它表示将电子从最高束缚能级移动到最低自由能所需的能量等级。

光学间隙的实验测定涉及光致发光和光吸收实验。同时，通过该研究组首创的紫外光电子能谱和低能逆光电子能谱技术计算了输运隙。

利用该框架，研究团队能够以0.1电子伏特(eV)的高精度确定激子结合能。研究人员认为，这种精度水平可以帮助比以前的研究更有信心地讨论有机半导体的激子性质。

此外，研究人员观察到激子结合能性质的一个意想不到的方面。他们发现，无论涉及何种材料，激子结合能都是传输带隙的四分之一。

这项研究的结果将塑造有机光电子学的基本原理，并具有潜在的现实应用。例如，规范有机光电器件的设计原理预计将发生有利的变化。

此外，考虑到这些发现有可能影响该领域的概念，研究人员认为这些发现也有可能被纳入未来的教科书中。

吉田教授总结道：“我们的研究有助于推进目前对有机半导体中激子机制的理解。此外，这些概念不仅限于有机半导体，还可以应用于广泛的分子基材料，例如作为生物相关材料。”

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