【材料】外消旋化增強有機室溫磷光

2021-01-21 X-MOL資訊

近年來，有機室溫磷光（RTP）材料因在光電器件和生物電子學等方面的潛在應用而備受關注。手性發光材料在螺旋自組裝、手性識別、生物傳感、3D顯示、信息存儲與處理、圓偏振雷射等領域具有廣泛的應用前景。然而，對於組成和原子排列方式完全相同的手性異構體分子而言，弄清分子晶體堆積與RTP性質之間是否存在相關性具有重要的意義。早在20世紀初，德國化學家Wallach對於手性分子提出了著名的Wallach規則：在晶體中，外消旋構型分子一般比其絕對構型分子具有更高的穩定性和更大的密度。但是在手性發光材料，特別是在長壽命的手性RTP材料中是否也遵守Wallach規則至今是個謎。

針對這一關鍵科學問題，為了探明固體分子與室溫磷光材料性質間的科學奧秘，經過不懈努力，常州大學材料科學與工程學院朱衛國教授團隊和臺灣大學周必泰教授合作提出了外消旋化增強磷光理論：在晶體中，具有RTP特性的手性分子，其外消旋構型分子的發光一般也遵守Wallach規則，即與其絕對構型分子相比，其外消旋構型分子不僅具有更大的密度，而且具有更長壽命和更高發光效率。他們進一步通過系列1,1'-聯萘-2,2'-雙二苯膦（BINAP）手性分子驗證了這一理論。研究發現：(1) 在外消旋分子 (rac-BINAP) 的晶胞中，R-與S-構型的BINAP分子兩兩交錯排列，比單一的R-BINAP或S-BINAP具有更強的短程分子間作用力（如圖1），能夠有效抑制雙分子間的三線態-三線態湮滅（TTA）等方式的非輻射躍遷，從而有效提高室溫磷光效率；(2) rac-BINAP呈現了深紅光磷光發射，其最大發射波峰為680 nm，這是目前文獻報導的最大波長的RTP材料（如圖2）。

圖1. rac-BINAP(左)、R-BINAP(中)和S-BINAP(右)的晶體結構。

圖2. (a) rac-BINAP與(b) R-BINAP的光致發光光譜，(c) 晶態下的rac-BINAP在紫外燈照射後的磷光發光。可喜的是，合作團隊利用BINAP材料的本徵螢光和磷光發射成功獲得了最大外量子效率EQEmax=1.59%、色坐標CIE為（0.37,0.44）的非摻雜白光有機發光器件(WOLEDs)。研究成果為提高有機RTP效率及實現RTP材料在有機發光器件中的應用具有重要意義。研究成果發表在《自然.通訊》（Nature Communications）上，文章的第一作者是常州大學博士研究生吳秀剛、臺灣大學碩士研究生黃俊穎和臺灣大學博士研究生陳登高，常州大學為該文章第一通訊單位，朱衛國教授和周必泰教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、江蘇省「雙創人才」高校創新類工程、江蘇省高等學校優勢學科建設工程(PAPD)等項目資助。Exploiting racemism enhanced organic room-temperature phosphorescence to demonstrate Wallach’s rule in the lighting chiral chromophoresXiugang Wu, Chun-Ying Huang, Deng-Gao Chen, Denghui Liu, Chichi Wu, Keh-Jiunh Chou, Bin Zhang, Yafei Wang, Yu Liu, Elise Y. Li, Weiguo Zhu, Pi-Tai Chou Nat. Commun., 2020, 11, 2145, DOI: 10.1038/s41467-020-15976-5 


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