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【材料】“三重态能量陷阱”调控的主客体掺杂室温磷光

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-11-01 08:09

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有机室温磷光材料因其长寿命发光、易于制备修饰和良好的生物相容性，显示出在信息加密、光学传感和生物成像等领域中的应用潜力。 汕头大学 化学化工学院 李明德 教授团队近年来开展了一系列高效室温磷光材料的设计和发光机理研究，其中包括电荷转移态介导的高效室温磷光（ Nat. Commun . 2024 , 15 , 4674; J. Phys. Chem. Lett. 2023 , 14 , 6927）、共晶工程构建的生物基室温磷光（ Nat. Commun. 2024 , 15，2561 ）、基于长程电荷转移的多色室温磷光（ J. Phys. Chem. C . 2023 , 127 , 12375； Adv. Opt. Mater. 2021 , 2101337.）。近来，该团队提出了由 “三重态能量陷阱”调控的主客体掺杂室温磷光 ，相关成果发表在 Angew. Chem. Int. Ed. 上。

在主客体掺杂体系中，利用Förster共振能量转移（FRET）或Dexter型三重态-三重态能量转移（TTET）实现高效室温磷光的策略已有许多报道（图1）。在已报道的TTET机制中，主客体之间的三重态能级差（Δ E _T ）是室温磷光发射的重要调控因素：过大或负的 Δ E _T 不利于TTET过程并导致低效室温磷光。但是，对于如何通过 Δ E _T 规律调控主客体之间的TTET过程仍不明确。另外，当 Δ E _T 较小时，吸热的反向TTET（rTTET）过程是否会在主客体掺杂室温磷光体系中发生也尚不清楚（图1）。

图1. 主客体掺杂材料中的能量转移机制

因此，本工作选用具有高三重态能级的二苯甲酮（BP）作为主体分子，一系列醌类化合物（AQ、1,4-AQ、NAQ和PAQ）作为客体分子，通过对客体分子共轭程度的扩展，可对主客体掺杂体系的 Δ E _T 进行规律调控，展示出发光颜色和寿命规律可调的室温磷光（图2）。通过稳态吸收光谱、延迟发射光谱和发光寿命测试，该团队验证了主客体之间从BP三重态到醌类化合物三重态的高效TTET过程；并通过变温延迟发射光谱和瞬态吸收光谱，观测到 Δ E _T 较小的BP/AQ中AQ三重态到BP三重态的热激活rTTET过程。基于实验结果，该团队提出客体分子三重态可作为主客体掺杂体系中的“三重态能量陷阱”：当 Δ E _T 较小时，“陷阱”中的三重态激子通过rTTET过程回到主体三重态（ k _rTTET ＞ k _客体Phos. ），从而抑制客体室温磷光；当 Δ E _T ≥0.46 eV时，“陷阱”中三重态激子通过缓慢的辐射跃迁回到基态（ k _客体Phos. ＞ k _rTTET ），实现高效室温磷光（图3）。

图2. 主客体分子结构、主客体掺杂材料的发光情况与光谱性质

图3. 三重态能级差调控下的能量转移机制

此外，该团队展示了主客体掺杂体系在热响应数据加密和时间分辨数据防伪上的应用潜力（图4）。这项工作阐释了如何通过 Δ E _T 调节主客体掺杂材料中TTET与rTTET的热平衡过程，从而实现对室温磷光性质的规律调控，这为基于能量传递机制的主客体掺杂室温磷光材料设计提供了深入的见解。

图4. 基于主客体掺杂材料的热响应数据加密模型和时间分辨“数独”防伪模型

这一成果近期发表在 Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章第一作者是汕头大学博士研究生 李嘉毓 、硕士研究生 郝素斌 和华南理工大学博士后 李梦珂 ，通讯作者是汕头大学 李明德 教授、党丽教授和华南理工大学 苏仕健 教授。本工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Triplet Energy Gap-Regulated Room Temperature Phosphorescence in Host-guest Doped Systems

Jiayu Li, Subin Hao, Mengke Li, Yanqi Chen, Hailin Li, Shiqi Wu, Sirui Yang, Li Dang, Shi-Jian Su, Ming-De Li

【材料】“三重态能量陷阱”调控的主客体掺杂室温磷光

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