手性团簇，铜饰光辉!郑大「国家杰青」臧双全，Nature子刊！

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随着CP-LED设备在3D显示和人机交互领域的潜力逐渐被认可，具有高量子产率的超小手性金属簇作为一种重要的手性材料，已成为当前研究的核心方向。相比传统的Ir、Pt和Os基材料，这些金属簇因其低毒性、低成本、优良的光稳定性以及易于溶液加工的特性而展现出巨大的应用潜力。尽管金属簇在光电应用中有很大的发展潜力，但由于其结构的复杂性和发光机制的多样性，科学界对其发光特性尚未形成统一的理解。因此，建立实现高效发光的金属簇（包括手性金属簇）设计原则具有显著的挑战。

基于此， 郑州大学董喜燕、司玉冰和臧双全教授等人 通过铜掺杂金属簇（Au ₂ Cu ₂ ），结合不同配体的取代基，成功地提高了磷光量子产率（PLQY）和圆偏振发光（CPL）特性。该研究以“Tightly bonded excitons in chiral metal clusters for luminescent brilliance”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

董喜燕 ，教授，博士生导师。发表包括 Nature Communication, J. Am. Chem. Soc.，Chem Rev. Chem. Soc. Rev.，Angew. Chem. Int. Ed.，Sci. Adv., 等科研论文近50余篇，论文他引4500余次。主要研究发光材料、传感材料、晶态材料等。

司玉冰 ，副教授。研究方向：理论与计算化学，超快电子转移过程，微观反应动力学，大数据及材料高通量筛选。

臧双全 ， 郑州大学学术副校长，国家杰出青年基金获得者、全球高被引科学家、中原学者、英国皇家化学会会士、河南省自然科学一等奖获得者、享受国务院政府特殊津贴。主持包括国家杰出青年基金项目、国家基金委重大研发计划重点项目等多项重要科研项目。担任中国化学会分子聚集发光专业委员会副主任委员、中国化学会晶体化学专业委员会副主任委员、中国化学会无机化学学科委员会委员、中国化学会超分子化学专业委员会委员、河南省化学会副理事长、Wiley出版社《Aggregate》期刊副主编、《中国化学快报》副主编、《Sci China Chem》期刊编委、ACS出版社《Crystal Growth & Design》期刊编委、《无机化学学报》编委。发表系列高水平研究论文， 教授， 博士生导师。长期从事金属团簇化学、金属有机框架材料、高品质发光材料研究。在Nat. Chem., Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Sci., Adv. Funct. Mater., Coord. Chem. Rev., 等权威化学类期刊发表SCI论文。

1、铜掺杂金属簇的设计： 研究通过在金属簇（Au ₄ ）中掺铜（Cu）并改变配体的取代基，优化了金属簇的激子结合能和电子-声子相互作用，从而有效提高了磷光量子产率（PLQY）和发光效率。这种设计突破了传统金属簇的性能限制，提升了发光效率和稳定性。

2、圆偏振发光特性优化： 研究展示了通过掺铜和改变配体取代基，成功实现了圆偏振发光特性的优化。特别是，铜掺杂的金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）表现出高对称性的圆偏振发光，并在不同的取代基下达到了显著的不对称因子，为圆偏振发光显示技术提供了新的材料选择。

3、圆偏振发光二极管的原型开发： 基于高效发光的铜掺杂金属簇，研究团队成功开发了圆偏振发光二极管（CP-LED）原型，并展示了15.51%的外部量子效率（EQE），能够在绿色波段发出高效的圆偏振光，表现出良好的实际应用潜力。

图1 Au ₄ 和Au ₂ Cu ₂ 金属簇的结构

图1展示了铜掺杂金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）的结构及其在不同条件下的发光特性。图中 R -Au ₂ Cu ₂ (L) ₄ 和 R -Au ₄ (L) ₄ 两种金属簇的结构，其中 R 表示手性配置，Au和Cu分别为金和铜原子，L是配体分子。金属簇呈现出菱形的几何结构，其中金属原子之间的距离和角度有所不同，这与其发光性能密切相关。铜掺杂金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）的发光量子产率（PLQY）明显高于未掺铜的金属簇（Au ₄ ）。

图2 温度依赖的光物理特性

图2展示了温度依赖性光物理特性，包括金属簇在不同温度下的光致发光量子产率（PLQY）、发光寿命、以及辐射和非辐射复合速率（ k _rad 和 k _non ）的变化。图中显示， R -Au ₂ Cu ₂ 系列金属簇（特别是 R -Au ₂ Cu ₂ (ptt) ₄ ）在温度从10 K升高至290 K的过程中，PLQY几乎保持不变，接近1，即表现出非常高且稳定的磷光量子产率。 R -Au ₂ Cu ₂ 金属簇在较宽的温度范围内，辐射复合速率（ k _rad ）明显高于非辐射复合速率（ k _non ），尤其是在高温条件下，依然保持较高的 k _rad 。相比之下，Au ₄ 簇的 k _rad 远低于 k _non ，表明其存在较高的非辐射能量损失，导致PLQY较低。

图3 重组能量贡献

图3展示了铜掺杂金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）和未掺铜金属簇（Au ₄ ）的激子结合能、交换相互作用和电子-声子相互作用的计算结果。计算结果显示，铜掺杂金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）在激子结合能、交换相互作用和电子-声子相互作用方面的优化，显著提高了金属簇的发光效率。铜掺杂增强了激子的稳定性，减少了非辐射损失，尤其通过减少电子-声子相互作用，提升了金属簇的辐射复合效率。这些发现为进一步优化发光材料提供了理论支持。

图4 瞬态吸收

图4展示了瞬态吸收光谱（TA）数据，比较了 R -Au ₄ (ptt) ₄ 和 R -Au ₂ Cu ₂ (ptt) ₄ 在激发后不同时间延迟下的吸收变化，具体分析了这两种金属簇的电子动力学差异。通过瞬态吸收光谱数据揭示了铜掺杂金属簇（ R -Au ₂ Cu ₂ ）与未掺铜金属簇（ R -Au ₄ ）在电子动力学上的显著差异。铜掺杂增强了金属簇的激子稳定性，减少了非辐射过程（如内部转化和自旋翻转），从而使得 R -Au ₂ Cu ₂ (ptt) ₄ 展现出更长的磷光寿命和更高的发光效率。这表明铜掺杂显著优化了金属簇的光物理性能。

图5 手性光学性质与圆偏振发光二极管

图5展示了手性金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）的圆二色性（CD）光谱和圆偏振发光（CPL）特性，详细比较了 R/S -Au ₂ Cu ₂ (iptt) ₄ 、 R/S -Au ₂ Cu ₂ (mtt) ₄ 、 R/S -Au ₂ Cu ₂ (ptt) ₄ 金属簇在不同条件下的表现。铜掺杂的金属簇不仅在溶液和固态下表现出强烈的手性，还在圆偏振发光方面具有优异的特性，尤其是通过手性配体的选择进一步增强了CPL的对称性和发光效率。这些特性为手性金属簇在未来的发光显示技术（如圆偏振LED（CP-LED））中提供了巨大的应用前景。

该研究通过优化铜掺杂和配体改性，显著提升了手性金属簇（Au ₂ Cu ₂ ）的发光效率和稳定性，为圆偏振发光显示技术（如CP-LED）的未来发展提供了新的思路和材料，也为设计高效发光材料提供了理论依据和实验支持。未来，随着材料的进一步优化和新型光电器件的开发，手性金属簇将成为光电子学领域的重要研究方向，并在多个技术领域中发挥关键作用。

Tightly bonded excitons in chiral metal clusters for luminescent brilliance. Nature Communications，

https://doi.org/10.1038/s41467-025-57209-7

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