【人物特寫-國際線】國立臺灣大學 化學系 周必泰老師,深談異常的光物理和光化學現象的基礎原理

拍攝於20180606─老師為利泓科技主辦之新穎發光材料研討會擔任講者

前言:我們很高興能夠為現任台大新興物質與前瞻元件中心主持人─周必泰講座教授進行訪談。周老師從佛羅里達州立大學(Florida State University)獲得化學和生物化學博士學位,接著在加州大學伯克利分校(University of California at Berkeley)擔任博士後研究員。周老師目前為皇家化學學會(FRSC)的成員,並獲得多項獎項,包括台灣傑出研究獎、侯金堆學術獎、有庠科技講座、教育部學術獎、國家講座獎、國際亞洲和大洋洲光化學協會(APA)獎(日本)和世界科學院(TWAS)化學獎。

在本次的專訪中,周老師與我們分享了他研究光物理和光化學奇異現象的緣由。

利泓科技 問:老師能請您大概與我們分享您所進行的研究嗎?

周必泰老師 答:我目前的研究興趣是去探討異常的光物理和光化學現象的基礎原理。這可能會引導出新的理論或修改既有的理論,或者使目前處於不確定狀態的模糊理論能夠重新得到新的驗證。此外,藉由新基理的發現可以策略性地設計新穎的材料,推展至嶄新的領域研究,尤其是光電或生物醫學等應用。

我目前正在進行三個主要的研究方向。第一個是激發態分子內質子轉移反應(excited-state intramolecular proton transfer reaction;ESIPT),主要研究氫鍵(H-Bonding)的強度、質子轉移動力學與熱力學之間的關聯性。我們藉由從幾秒時間區到100飛秒(Femtosecond)的穩態和時間解析吸收光譜來解析其反應弛豫動力學(Relaxation dynamics)與相對應的瞬態光譜變化。這些結果能夠建立氫鍵強度、動力學與ESIPT熱力學之間的半經驗相互關連性。這些關聯性提供了合理的設計原則,從而設計出涵蓋從可見光到近紅外波段的激發態內質子轉移分子。

另一個研究領域是探討分子結構與放光性質之間的關係。具有熱活化延遲熒光(thermally activated delayed fluorescence ;TADF)的新穎材料涉及電子提供體(donor;D)和受體(acceptor;A)結構之間的空間分布,其相對空間位置是TADF效能的重要因素。利用傅立葉轉換的瞬態吸收光譜UV-Vis與IR,我們將能夠從結構上去解析D / A型電荷轉移狀態,從而可以探測D與A的相對位置和交互作用。該技術也可用於了解激發狀態的分子結構形變,例如光致結構平面化效應,即所謂的蝴蝶形振翅運動, 或分子開環反應等。

第三,我們還密切關注後過渡金屬錯合物的激發態馳豫動力學,其在磷光有機發光二極管(phosphorescence organic light emitting diodes;POLED)中起關鍵作用。我們在分子等級的深入研究已經建立了結構馳豫動力學、磷光產率、放光色調和分子框架之間的重要關係。十幾年來我們已經制定了幾個重要的半經驗基理,例如外部與內部重原子效應,金屬與配位子電荷轉移在增強系統間交互作用,以及駕馭d-d與金屬─配位子轉變來抑制熱輻射和微調自旋軌道耦合等等。

圖片來源:NATURE PHOTONICS DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.230─周老師與清大團隊合作在NIR發光材料的突破性研究

利泓科技 問:老師能否請您讓我們瞭解您研究的創新之處?

周必泰老師 答:我最初是一名光譜物理化學家,專注於紫外─可見─近紅外吸收和放光的光譜學和動力學。嚴格來說,我比較像是物理化學家。無論如何,我在有機及無機化學方面也有許多豐富的經驗。因此,相較於物理化學家較不擅長的化學分子設計,就是我可以發揮的地方,例如,多質子轉移是模擬生物系統水分子如何接力式的完成質子轉移的關鍵 ,如果沒有能夠設計多質子轉移分子的能力,就無法了解相關的動力學和蘊含機制。在我的實驗室,化學設計合成,結合最先進的光物理化學技術以及理論佐證,貫穿了我整個研究核心。其中包括了幾個重要成果, 打破Kasha規則而能收集高激發能量,利用有效的J-聚集排列來跨越能隙抑制發光效率的規範,達成高強度近紅外波段的放光以及利用內質子轉移開發單類型分子產生白光機制。

利泓科技 問:我們所代理的Edinburgh Instrument如何幫助您進行研究?

周必泰老師 答:事實上,對於經驗豐富的光譜學家來說,穩態螢光和相對應的放光激發光譜提供了分子基態與激發態第一手最有價值的信息。因此,我使用Edinburgh Instrument的設備超過15年,在我的研究生涯給予我很大的幫助。它們優秀的波長校正技術在激發和放光波段中量測,提供了非常可靠的數據。結合諸如時間相關單光子計數技術、磷光生命週期量測、溫度控制等各種量測技術與環境的配件,為光譜學和動力學的研究提供了完善的分析能力。在我35年的研究生涯中,我使用過眾多螢光光譜儀,Edinburgh Instrument的光譜儀可以說是最穩定與耐用的。最近,我們增加了積分球配件以進行絕對量子產率量測,對於固態樣品的研究有很大的幫助。

光致發光光譜儀示意圖,圖片來源:Edinburgh Instrument 簡報內容

後記:周必泰老師兢兢業業熱衷於研究,發表了超過500篇的科學(SCI)論文,15篇以上的統整回顧(Review)文章,6個書籍章節,並名列18項專利之中,利泓科技很榮幸能與周老師合作進行此次專訪,希望有更多相關研究領域的人可以投入研究工作,讓台灣在學術領域之中持續發光發熱。

全文經過周必泰老師同意刊載

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