南京工业大学黄维院士、安众福,福建师范大学蔡素芝JACS:可见光激发下孤立分子的高效超长室温磷光

文摘   2024-12-12 08:30   福建  

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原文链接:10.1021/jacs.4c08889


可见光激发的超长有机磷光 (UOP) 材料在各种实际应用中具有巨大的潜力。通过在有机分子中引入大的 π 共轭结构,可以实现激发波长的红移,从而增加分子间的相互作用和耦合。然而,从孤立分子中产生可见光激发的 UOP 是一项巨大的挑战。

近日,南京工业大学黄维院士、安众福,福建师范大学蔡素芝团队开创了一种通过将有机分子掺杂到刚性聚合物中来实现可见光激发的 UOP 的策略。所得材料在环境条件下表现出高达 2.226 秒的超长寿命和 42.6% 的高磷光效率。令人印象深刻的是,掺杂 1 wt% 不同客体的聚乙烯醇薄膜表现出蓝色和绿色可见光激发的 UOP。此外,它们表现出长持久发光,在室温下持续超过 30 分钟。通过控制实验和理论计算,他们发现客体和 PVA 之间的氢键限制了分子运动,促进了高效的 UOP。单分子状态下分子内电荷转移导致能级降低,从而导致吸收红移。这项工作将为开发基于非晶态聚合物的可见光激发UOP开辟一条新途径,提供高效的UOP和常温长效发光。相关研究成果发表于《J. Am. Chem. Soc.》上


图文解析


图 1. (a) 可见光激发超长室温磷光 (Phos.) 和 LPL 的建议机制。(b) 羧基掺杂到无定形聚乙烯醇基质中的小有机化合物示意图。(c) 具有不同推拉结构的有机化合物在从基态 (GS) 激发时呈现局部激发态 (LE)、分子内电荷转移 (ICT) 和扭曲分子内电荷转移 (TICT)。(d) 客体的化学结构。


图 2. 环境条件下掺杂不同客体的 PVA 薄膜的光物理特性。(a)掺杂质量分数为 1% 的 PHA、NTA 和 NDA 的 PVA 薄膜的归一化稳态光致发光(黑线)和磷光(红线)光谱分别由 277、275 和 277 nm 激发。插图:在打开和关闭时在 302 nm 紫外线灯下拍摄的 PVA 薄膜的照片。(b)在 80 至 320 K 的不同温度下由 275 nm 激发的 PVA 中 1 wt % PHA 的光致发光光谱。(c)由 277 nm 激发的不同浓度 PVA 薄膜中 PHA 的寿命衰减曲线。(d)分别由 330、356、360、277、275 和 277 nm 激发的粉末和掺杂有 PHA、NTA 或 NDA 的 PVA 薄膜中的 PHA、NTA 和 NDA 的磷光寿命。(e)分别由 280、365、405、315、410 和 395 nm 激发的粉末和掺杂有 PHA、NTA 或 NDA 的 PVA 薄膜中的 PHA、NTA 和 NDA 的磷光效率。


图 3. PVA 中 1 wt % NTA 和 PVA 中 1 wt % NDA 的可见光激发 UOP 和 LPL。(a) 环境条件下 PVA 中 1 wt % PHA、PVA 中 1 wt % NTA 和 PVA 中 1 wt % NDA 的归一化激发光谱。PVA 中 1 wt % NTA、PVA 中 1 wt % NDA、甲醇中的 NTA(1 × 10-5 M)和甲醇中的 NDA(1 × 10-5 M)的吸收光谱。彩色曲线是 LED 的发光光谱。插图:在 LED 灯开启和关闭下拍摄的照片。(b) PVA 中 1 wt % NDA 的激发-磷光映射。(c)在室温下停止 365 nm 激发后 2 分钟测量的 PVA 中 1 wt % NTA(顶部)和 PVA 中 1 wt % NDA(底部)的发射光谱。(d)PVA 薄膜中 1 wt % NTA 和(e)PVA 薄膜中 1 wt % NDA 在 298 K 下经过不同紫外线照射时间后,由 365 nm 激发的发射衰减曲线的双对数图。


图 4. 可见光激发 UOP 聚合物的机理研究。(a)PVA 薄膜中 1 wt % PHA(顶部)和 DMF(1 × 10−5 M)中 PHA(底部)在 77 K 下分别由 275 和 280 nm 激发的归一化磷光光谱。插图:它们的照片分别在 275 或 280 nm 灯开启和关闭时拍摄。(b)分别由 277、290 和 275 nm 激发的掺杂到 PVA、PVA-87 和 PVAc 薄膜中的 1 wt % PHA 的寿命衰减曲线。插图:PVA、PVA-87 和 PVAc 的化学结构。(c)浓度为 1 wt% 时掺杂 PHA、BTA、NTA 和 NBA 的 PVA 薄膜分别由 277、361、275 和 385 nm 激发的磷光寿命。浓度为 1 wt% 时掺杂 PHA、BTA、NTA 和 NBA 的 PVA 薄膜分别由 315、360、410 和 385 nm 激发的磷光效率。(d)计算单体中 PHA、NTA 和 NDA 的能量图和自旋轨道耦合矩阵元素 (ξ)。上图:T1 状态的 NTO。


图 5. 多色可见光激发的 UOP 薄膜的应用。(a)1 wt % 客体掺杂 PVA 薄膜,在 302 或 365 nm 灯激发下制备的不同图案的多色 UOP 照片。(b)大面积、柔性、透明的 1 wt % NTA 在 PVA 薄膜中及其在 302 nm 灯开启和关闭下的发射照片。(c)由不同激发源控制的信息加密;图案由 1 wt % PHA 在 PVA 中制备,1 wt % NDA 在 PVA 中制备,在 302 nm 或 LED 灯激发下制备。


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