光学研究利用微光产生明亮的LED灯

普林斯顿大学与北卡罗来纳州立大学的研究人员开发出一种新技术，可显著提升将低能量光转化为高能量光的效率。该技术可立即应用于照明与显示领域。

这项研究基于一种称为三重聚变上转换的技术，利用多种分子组合收集低能光，如绿光，并将其转化为高能光，如蓝光或紫外光。分子从入射光中吸收能量，并通过将电子移至更高轨道态暂时储存能量。激发的分子碰撞，释放储存的能量，形成更高能的光。上转换已知在液体中效果良好，因为分子不断运动，使它们能够相互作用并提升光的能量。固体中，激发物很难移动。现有的固体系统通常通过极强的光产生大量激发态来解决这个问题。但这些旧技术需要高功率输入，限制了上转换的适用性。

普林斯顿大学电气与计算机工程学教授、Andlinger 能源与环境中心研究员 Barry Rand 带领团队提出，可利用一种名为等离子体激元的现象，增强金属薄膜上的上转换效率。等离子体激元指的是金属表面电子与可见光等电磁波之间的相互作用。部分材料（以金属为主）的电子并不受限于特定原子，而是以自由电子的形式存在于金属内部。当光线照射这些自由电子时，会引发电子振荡，使光能与电子运动能量相互耦合。这种被称为等离子体激元的振荡现象能够实现光的聚集，进而增强电磁场强度。

研究团队在《Nature Photonics》期刊发表的论文中指出，他们通过向银薄膜照射低能量光，成功激发了表面等离子体激元。实验数据显示，等离子体激元在银薄膜表面传播时，可使上转换分子的吸光效率提升至传统装置的约 10 倍。研究人员表示，吸光效率的提升能够提高受激分子浓度，大幅降低触发上转换所需的光强。实验结果表明，与非等离子体激元系统相比，该技术将驱动反应所需的功率降低了 19 倍。

研究团队不仅在实验室环境中完成了相关实验，还致力于验证该技术的即时实用性。他们搭建了一个有机发光二极管装置 —— 这类器件广泛应用于便携式显示设备 —— 以此测试技术可行性。研究人员利用等离子体激元薄膜产生蓝光，再将其与传统 OLED 产生的绿光、红光混合，最终生成白光。蓝光 OLED 的制备与应用一直存在难点，原因是蓝光的产生需要高能量输入，且容易导致器件稳定性下降。此次实验证明，这种薄膜技术无需高能量输入与特殊材料，即可作为蓝光光源使用。

这项研究不仅推动了上转换技术的发展，还为四名普林斯顿大学本科生 ——Kelvin Green、Amélie Lemay、Yiling Li 和 Tersoo Upaa—— 提供了宝贵的科研实践机会。Kelvin Green 与 Amélie Lemay 均于 2024 年毕业，获得土木与环境工程学位，且完成了 Andlinger 能源与环境中心的可持续能源项目课程。Yiling Li 与 Tersoo Upaa 目前是电气与计算机工程系大四学生，同时在该中心担任实习生。

Yiling Li 表示，这段科研经历让她获得了研究生级别的实验室工作体验。她提到，“研究团队鼓励我提出有挑战性的问题，并帮助我通过实验研究寻找答案，这让这段经历变得格外有意义。”

对 Tersoo Upaa 而言，研究项目的成功为他带来了全新的信心。他说：“这次实习让我更有底气去研究那些自己尚未完全掌握的课题。”

在 Rand 实验室主导实验工作的 Jesse Wisch 是这些学生的指导老师。他表示，本科生们提出的问题 “促使我进一步加深了对该领域知识的理解”。

论文指出，未来的研究方向可包括开发性能更优异的薄膜与光学结构，以此实现白光 OLED 技术的进一步优化。