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    唐本忠院士團隊《Nat. Commun.》:利用推拉電子效應調節有機發光體由熒光向磷光轉化
    2020-05-29  來源:高分子科技

      電致光二極管(LEDs)具有能量消耗低、使用壽命長、綠色環保等優點,在固態照明、全色顯示等領域具有廣闊的應用前景。目前,在電致LEDs中被廣泛采用的發光材料為熒光材料,由于其自旋禁阻的本質只能利用電激發產生的25%的單重態激子。由于輻射躍遷禁阻,75%的三重態激子以非輻射躍遷的方式失活,導致理論上內量子效率最高為25%,嚴重限制了器件的發光效率。電致磷光LEDs能夠同時利用單重態和三重態激子,理論上使器件的內量子效率可以達到100%,所以開發磷光LEDs是未來電致發光二極管的一種所趨。


      作為磷光LEDs重要的組成部分,磷光發射材料由于其具有較長的三重態壽命,允許激子長距離的遷移,有效避免生物體短壽命背景熒光的干擾等優點,在顯示、照明、光電器件、光存儲、光催化反應、防偽、分子傳感和生物成像等領域具有廣闊的應用前景而成為了目前一個非常熱門的研究領域。然而由于磷光材料的三重態對溫度和氧氣極其敏感,所以材料的磷光性質通常需要在低溫、無氧條件下才能觀測到,這大大限制其在各類高技術領域的應用。此外,目前大多數室溫磷光材料研究熱點主要關注在分子結構設計,如何通過推拉電子效應調控熒光-磷光發射卻鮮有研究。因此,唐本忠院士團隊通過調節苯環上取代基設計開發出了一系列咔唑衍生物,實現了由熒光向磷光轉化的可控調節。相關工作近期發表在Nature Communications


    圖1咔唑衍生物的分子結構和光物理性質


      當用購買的咔唑為原料合成TCz-OH-Cm, TCz-H-Cm和TCz-F-Cm時,TCz-OH-Cm不論在低溫還是在室溫,壽命始終在納秒級別。將給電子的取代基羥基變為氫基和氟基時,它們的壽命從11納秒逐漸增加到0.727秒,并發出橘黃色的室溫磷光(RTP),從而證明通過分子結構調節可以調控發光由熒光向磷光轉化。而當用實驗室合成的咔唑為原料制備這些分子時,發現它們的發光性質發生巨大變化。例如實驗室合成的咔唑發出黃綠色的RTP,并且壽命也大大降低,而購買的咔唑卻發出強烈的橘黃的室溫磷光。當用實驗室合成的咔唑制備TCz-F(即TCz-F-Lab)時,它的RTP發光效率和壽命大幅度降低(48.65 ms),并且發射藍移。造成這么大的光物理性質差異主要來源于購買的咔唑中含有一種異構體,當有極少量的異構體存在時會大大提高RTP壽命和效率。理論計算表明S1和Tn之間較小的能帶和較低的重振能有利于發光體獲得室溫磷光。


    圖2 以商業化咔唑和實驗室合成的咔唑為原料制備的TCz-H和TCz-F的光物理性質(The prompt (solid line) and delayed (dash line) PL spectra of (C) TCz-F-Cm (red line), TCz-F-Lab (black line) and (D) TCz-H-Cm (red line), TCz-H-Lab (black line) in the solid state.)。


      此外, TCz-F-Cm由于具有較高的固態量子效率,他們測試了它不同尺寸晶體的光波導行為,并且嘗試通過捕獲單線態和三線態激子制備白光電致發光器件。


    圖3 TCz-F-Cm的光波導性質


      近期,該研究論文發表在《Nature Communications》上,文章第一作者為寶雞文理學院AIE研究中心馮海濤副教授和華南理工大學博士研究生曾嘉杰,共同作者為博士研究生印平安,蘇州大學王雪東教授,香港科技大學林榮業教授,通訊作者為中科院化學所彭謙教授,華南理工大學趙祖金教授和香港科技大學唐本忠院士。該論文受到國家重點基礎研究計劃(973),國家自然科學基金,陜西省科技廳自然科學基金以及陜西省高校科協青年人才托舉計劃等項目資助。


      原文信息:Hai-Tao Feng1, Jiajie Zeng1, Ping-An Yin, Xue-Dong Wang, Qian Peng*, Zujin Zhao*, Jacky W. Y. Lam and Ben Zhong Tang*. Tuning molecular emission of organic emitters from fluorescence to phosphorescence through push-pull electronic effects. Nature Communications, 2020, 11: 2617.

      文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16412-4

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