Controlling Exciton Propagation via Strong Coupling

プラズモニックアレイと励起子の強結合により、励起子の伝搬距離を長くすることに成功しました！本成果は、TU/e（オランダ）ユヴァスキュラ大学（フィンランド）との共同研究で、ACS Photonicsに掲載されました。村井助教は高品質なAgナノ粒子アレイを作製・提供しました。Exciton transport in most organic materials is based on an incoherent hopping process between neighboring molecules. This process is very slow, setting a limit to the performance of organic optoelectronic devices. In this Article, we overcome the incoherent exciton transport by strongly coupling localized singlet excitations in a tetracene crystal to confined light modes in an array of plasmonic nanoparticles. We image the transport of the resulting exciton−polaritons in Fourier space at various distances from the excitation to directly probe their propagation length as a function of the exciton to photon fraction. Exciton−polaritons with an exciton fraction of 50% show a propagation length of 4.4 μm, which is an increase by 2 orders of magnitude compared to the singlet exciton diffusion length. This remarkable increase has been qualitatively confirmed with both finite-difference time-domain simulations and atomistic multiscale molecular dynamics simulations. Furthermore, we observe that the propagation length is modified when the dipole moment of the exciton transition is either parallel or perpendicular to the cavity field, which opens a new avenue for controlling the anisotropy of the exciton flow in organic crystals. The enhanced exciton−polariton transport reported here may contribute to the development of organic devices with lower recombination losses and improved performance. / ほとんどの有機材料の励起子輸送は、隣接する分子間のインコヒーレントなホッピング機構に基づいています。このプロセスは非常に遅く、有機光電子デバイスの性能に限界があります。この研究では、テトラセン結晶の局所的な一重項励起をプラズモニックナノ粒子のアレイのSLRモードに強く結合することにより、インコヒーレントな励起子輸送を克服します。励起からさまざまな距離にあるフーリエ空間で得られた励起子-ポラリトンの輸送を画像化し、結合状態の励起子率（励起子ポラリトンに占める励起子の割合）の関数としてそれらの伝搬長を直接調べます。励起子率が50％の励起子ポラリトンは、4.4μmの伝搬長を示します。これは、一重項励起子拡散長と比較して2桁の増加です。この顕著な増加は、有限差時間領域シミュレーションと原子論的マルチスケール分子動力学シミュレーションの両方で定性的に確認されています。さらに、励起子遷移の双極子モーメントがキャビティフィールドに平行または垂直になると、伝播長が変更されることを観察します。これにより、有機結晶内の励起子の流れの異方性を制御するための新しい道が開かれます。ここで報告されている強化された励起子-極性輸送は、再結合損失が低く、性能が向上した有機デバイスの開発に貢献する可能性があります。

ACS Photonics (2022) https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00007　

Anton Matthijs Berghuis,* Ruth H. Tichauer, Lianne M. A. de Jong, Ilia Sokolovskii, Ping Bai, Mohammad Ramezani, Shunsuke Murai, Gerrit Groenhof,* and Jaime Gómez Rivas*, Controlling Exciton Propagation in Organic Crystals through Strong Coupling to Plasmonic Nanoparticle Arrays