【綜述】有機材料的激發態調控實現長餘輝:材料及應用

2021-02-19 X-MOL資訊

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有機長餘輝材料由於獨特的激發態性質近兩年受到廣泛的關注。近日，南京郵電大學的黃維、陳潤鋒課題組整理了有機長餘輝材料的相關文獻，對其發光機理進行詳細的探討，並展望了該類材料在有機發光及生物電子學領域的應用前景。

長餘輝發光是一種獨特的物理現象，是指在撤去激發條件後仍然能夠持續發光一段時間（壽命大於0.1 s）。這種現象一般存在於無機材料中，例如古代的夜明珠。迄今為止，研究者們已經開發出大量的無機長餘輝材料，並在各個領域得到應用。然而，無機長餘輝材料中的昂貴的稀土元素和複雜的合成工藝限制了其進一步發展。而有機材料由於價格低廉、合成簡便、生物相容性好、柔性等優點，近年來受到人們的廣泛關注，成為開發長餘輝材料的新選擇。目前報導的有機長餘輝材料最長壽命可達22.4 s，最高光致發光量子效率可達39.47%，證明其廣闊的發展前景。

有機材料的激發態很活潑，因而發光壽命很短，如何有效調控激發態壽命、延長發光時間成為開發有機長餘輝材料的關鍵。由於輻射躍遷和非輻射躍遷的競爭關係，實現長餘輝發光必須有足夠小的輻射躍遷速率（< 10 s-1）和更小的非輻射躍遷速率。基於這個基本設想先後報導了主客體摻雜、H-聚集和自由基離子對三種可能機理，並由此衍生出了聚合物、主客體摻雜、量子點、單組分有機材料和金屬-有機框架（MOFs）等五種有機長餘輝材料，如圖1、2所示。其中以單組分有機材料為例，該類材料的研究始於2015年黃維、陳潤鋒課題組在Nature Materials上報導的H-聚集長餘輝材料，其能夠實現長餘輝發光的關鍵在於兩點：其一是分子中包含具有n電子的元素或重原子，實現單線態到三線態的系間竄越；其二是H-聚集能夠穩定激發態，同時結合晶體結構減小非輻射躍遷速率以及氧氣對三線態激子的猝滅，最終可以達到最長1.35 s的發光壽命。

圖1. 有機長餘輝發光機理。圖片來源：Advanced Materials

圖2. 現代有機長餘輝材料研究歷程。 圖片來源：Advanced Materials

基於其獨特的發光性質，有機長餘輝材料已初步應用於信息防偽、生物成像等領域。尤其在用於生物成像時具有良好的生物相容性，能夠通過增加延遲完全屏蔽背景螢光，表現出獨有的優越性。

雖然有機長餘輝材料在短短十年裡發展迅速，但仍然有一些關鍵問題等待解決。一是目前的有機長餘輝需要在固體狀態，還無法實現溶液下的長餘輝發光；二是發光壽命和發光效率在同一體系中是對立關係，所以如何得到壽命長且效率高的有機長餘輝材料是個難點；三是發光顏色集中在綠光到黃光區域，藍光和紅光的長餘輝還沒有被報導。不過相信隨著研究的不斷深入，終有一天能夠解決這些難題，實現有機材料激發態的高效調控和有機長餘輝材料的理性設計和廣泛應用。

這一成果近期發表在《Advanced Materials》上，文章的第一作者是南京郵電大學大學博士研究生徐申。

該論文作者為：Shen Xu, Runfeng Chen,* Chao Zheng, Wei Huang*

原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Excited State Modulation for Organic Afterglow: Materials and Applications

Adv. Mater., 2016, 28, 9920-9940, DOI: 10.1002/adma.201602604

導師介紹

黃維

http://www.x-mol.com/university/faculty/35089

陳潤鋒

http://www.x-mol.com/university/faculty/26813

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