唐本忠院士《AM》:可用於隱形防偽和數據存儲的新型發光材料!

2021-01-08 騰訊網

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導讀：本文報導了一種新的光響應發光(PRL)材料，具有靈敏和可逆的螢光開關特性，可以通過快速光觸發和熱退火方便地調節。具有優異性能的PRL特性的均勻薄膜允許在不可見的防偽，和動態光學數據存儲中具有有人的應用潛力。

固態智能材料因其在傳感器、顯示器、數據存儲、和防偽方面的尖端應用而備受青睞。其中特別引人注目的是光響應材料，然而目前很少有PRL材料是通過將經典的光致變色系統與新出現的固態發射器結合起來而構建的，這需要劇烈的結構變化和足夠的自由空間，從而限制了PRL材料的應用範圍。

香港科技大學唐本忠院士團隊首次探討了TPE-4N的開關PRL特性，並通過快速光觸發和熱退火進行了控制。相關論文以題為「Turning On Solid-State Luminescence by Phototriggered Subtle Molecular Conformation Variations」發表在Advanced Materials上。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202006844

研究結果表明，TPE-4N有趣的開關發光特性可以通過快速光觸發和熱退火方便地調節。晶態和非晶態分別賦予高效和弱ISC過程來開啟和關閉發射。這種易於製備的薄膜具有高對比度(> 102)、良好的透光率(> 72.3%)和在室溫下數月的良好耐久性和可逆性。此外，薄膜的優異質量和PRL行為的高性能允許在具有微解析度的隱形防偽，和動態光學數據存儲中應用。

通過快速光觸發和熱退火調節的TPE-4N的開關發光特性如圖1A所示。作為概念的證明， PRL行為被仔細歸因於晶體和無定形狀態之間微妙的分子構象轉換。此外，易於製備的熱塑性TPE-4N薄膜在具有高開關對比度(> 102)和良好透光率(> 72.3%)的室內光下表現出非破壞性的光致抗蝕劑行為。首次發現在連續紫外照射(365納米，80 mW cm−2)5分鐘後，TPE-4N的非發射晶體顯示出亮綠色螢光(圖1B)。

圖1 A) TPE-4N的光和熱響應機制說明。B)紫外光照射5分鐘前後單晶的顯微照片。這些照片是在330–385納米的亮場(上)和紫外通道(下)下拍攝的。紫外線照射的功率密度為80 mW cm−2。C) TPE-4N粉體在不同刺激下的發光轉換:I)在150℃下加熱5min；II)紫外線照射5min；III) 丙酮燻蒸30s；IV)研磨；螢光照片是由手持相機在365納米紫外燈下拍攝的。D)不同激勵下TPE-4N粉末的螢光光譜。紫外線照射的功率密度為50 mW cm−2。

為了進一步了解PRL過程中的分子構象變化，研究人員對晶體和氣體狀態進行了量子化學計算。如圖2A，B所示，晶態分子的苯基(α)和硝基(β)扭轉角比氣態分子大得多。在這裡，非晶態可以被認為是一種接近氣體狀態的自由分子構象。光觸發薄膜在526nm處出現紅移綠光發射峰，這與非晶薄膜（525nm處的發射峰）一致。顯著的紅移紫外-可見吸收表明，在光觸發之後，表面上的分子可能會釋放其構象到非晶態（圖2C）。

圖2 A） TPE-4N的晶體結構和B）DFT優化的分子結構及其最低激發態的前線分子軌道、激發能和振子強度（f）。硝基與鄰苯基的扭轉角和苯基與雙鍵的扭轉角分別歸屬於α和β。C） TPE-4N薄膜的吸收光譜。非晶薄膜和退火薄膜的厚度分別為198±4.7nm和189±6.4nm。D） 不同刺激下TPE-4N薄膜的拉曼光譜。

圖3 A） TPE-4N薄膜的顯微照片顯示，在80 mwcm−2的紫外光照射下，發光隨時間而變化。照片在330-385nm通道下用顯微鏡拍攝。B） 不同波長的發光強度比隨時間的變化。C） 不同功率密度的紫外輻射強度比隨時間的變化。D） 不同溫度下紫外光照射的時間依賴性發光強度比。E） 室溫下TPE-4N薄膜的發光強度比隨時間的變化。I0，退火薄膜的發光強度；I，光觸發薄膜的發光強度。所有的光致發光強度都是在室溫下記錄的。

圖4 A） 使用TPE-4N薄膜的防偽和光信息存儲的處理步驟。B） TPE-4N薄膜的發光（頂部）和室內光透明（底部）照片以及手持相機拍攝的2D代碼的寫入和擦除過程的記錄。I) 在150℃下加熱5分鐘；II）在150℃下加熱30 s；III）紫外線照射5 min。C）用顯微鏡拍攝的TPE-4N薄膜上的微尺度圖案的發光照片。照片在330-385nm通道下用顯微鏡拍攝。D） 用於動態可重寫光數據存儲的TPE-4N薄膜。照片在330-385nm通道下用顯微鏡拍攝。

總的來說，研究人員報導了一種新的光響應發光材料，它具有固態可逆構象和螢光轉換的特性。其在微解析度的隱形防偽，和動態光學數據存儲等高科技應用中具有巨大的潛力。（文：8 Mile）

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