科學(xué)家實(shí)現(xiàn)高效藍(lán)色室溫磷光

　　提起夜明珠，人們不會陌生，它在黑暗中發(fā)的光是磷光。隨著科技的發(fā)展，人們不僅可以“炮制”像夜明珠一樣的磷光材料，而且賦予它照明以外的多種用途。

　　近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、南京工業(yè)大學(xué)安眾福教授聯(lián)合新加坡國立大學(xué)劉小鋼教授提出“發(fā)色團(tuán)限域”策略，利用最簡單的分子實(shí)現(xiàn)最優(yōu)異的磷光性能。研究團(tuán)隊(duì)還“一光多用”，開發(fā)出具有多重應(yīng)用價(jià)值的磷光材料器件。相關(guān)研究近日發(fā)表于《自然—材料學(xué)》。

　　沖破“瓶頸” 抑制猝滅

　　藍(lán)光，作為光的三原色之一，是固態(tài)照明和全彩顯示的核心組分，同時(shí)在生物醫(yī)學(xué)、光通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）”的三位發(fā)明者。

　　目前，各種藍(lán)光材料得到廣泛研究開發(fā)，有機(jī)室溫磷光材料正是其中熱門的前沿領(lǐng)域之一。

　　磷光材料，是一種在某種波長的入射光（如紫外可見光，X、β、γ等高能射線）照射下能發(fā)出磷光的材料，且激發(fā)停止后仍可發(fā)光（激發(fā)停止后不能發(fā)光的為熒光）。因此，長余輝是磷光材料的一大特點(diǎn)。不過，實(shí)現(xiàn)長壽命、高效率的藍(lán)色室溫磷光一直存在“瓶頸”。

　　“通常，獲得高效率的室溫磷光需要滿足兩個(gè)基本條件，即有效促進(jìn)單/三線態(tài)激子間的系間竄越，這主要依賴于分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有效抑制三線態(tài)激子的猝滅，即讓光子產(chǎn)生的數(shù)量在短時(shí)間內(nèi)難以衰減或消失。”文章共同通訊作者、中科院院士黃維向《中國科學(xué)報(bào)》解釋道。

　　他表示，目前晶體工程是一種有效抑制三線態(tài)激子猝滅的策略。但晶體中的一種弱相互作用——分子間π-π堆積，卻成為實(shí)現(xiàn)高效藍(lán)色磷光的主要“瓶頸”。一方面，它非常容易導(dǎo)致三線態(tài)激子間的猝滅，給效率提高造成很大困難；另一方面，它還會使發(fā)色團(tuán)共軛度增加，發(fā)光紅移，難以實(shí)現(xiàn)藍(lán)色磷光。

　　針對這一挑戰(zhàn)，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)基于前期對聚集態(tài)磷光的理解和對低溫77K下溶液單分子態(tài)磷光現(xiàn)象的思考，利用強(qiáng)作用力的離子鍵，創(chuàng)造性地提出了“發(fā)色團(tuán)限域”策略，成功構(gòu)筑了具有分子態(tài)高效室溫磷光的有機(jī)離子晶體材料。

　　“籠鎖”發(fā)色團(tuán) 創(chuàng)造新紀(jì)錄

　　在最新研究中，黃維等以均苯四甲酸（PMA）多羧酸化合物為研究模型，合成了均苯四甲酸四鈉鹽（TSP）的高效藍(lán)色室溫磷光離子晶體材料。

　　他們發(fā)現(xiàn)，光激發(fā)后，有機(jī)離子晶體TSP呈現(xiàn)肉眼可見的明亮藍(lán)色長余輝現(xiàn)象（通常是指關(guān)閉激發(fā)光后，發(fā)光物質(zhì)能持續(xù)發(fā)光超過100毫秒以上的發(fā)光現(xiàn)象），余輝持續(xù)時(shí)間3秒有余。其穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜和磷光光譜幾乎完全重疊，僅在325納米處出現(xiàn)一個(gè)極小的熒光峰，磷光效率高達(dá)66.9%。

　　實(shí)現(xiàn)這一成績，是因?yàn)檠芯空擢?dú)辟蹊徑，找到一種辦法“對付”發(fā)色團(tuán)——能對光輻射產(chǎn)生吸收、具有高的激子躍遷速率的芳香功能基團(tuán)。

　　“由于離子鍵沒有方向性和飽和性，使得分子周圍可以結(jié)合眾多的抗衡離子。離子化的發(fā)色團(tuán)被抗衡離子完全包圍，如同孤立在一個(gè)籠子當(dāng)中，與周圍發(fā)色團(tuán)完全隔離，限域在一個(gè)剛性、孤立的環(huán)境中?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡甙脖姼１扔髡f，“同時(shí)，羧酸基團(tuán)不僅可以形成離子鍵，而且還有利于促進(jìn)激子的系間竄越?！?/p>

　　在進(jìn)一步研究中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)離子晶體TSP具有類似低溫稀溶液單分子態(tài)磷光的性質(zhì)。通過單晶分析，他們確認(rèn)離子化的發(fā)色團(tuán)被抗衡離子完全包圍。理論計(jì)算也表明，離子化后的結(jié)構(gòu)，其自旋軌道耦合常數(shù)得到了顯著提高，為實(shí)現(xiàn)高效磷光提供條件。

　　為了證實(shí)這一猜想，研究者又合成了均苯四甲酸二鈉鹽（DSP），從側(cè)面論證了剛性、孤立的分子態(tài)模式對磷光性能提升的重要性。單晶分析再次表明，發(fā)色團(tuán)之間存在明顯的π-π堆積，該堆積會使發(fā)色團(tuán)共軛度增加，DSP發(fā)黃綠光余輝，并且效率非常低，難以實(shí)現(xiàn)高效分子態(tài)藍(lán)色磷光。

　　以此為基礎(chǔ)，黃維等進(jìn)一步驗(yàn)證了“發(fā)色團(tuán)限域”策略實(shí)現(xiàn)分子態(tài)高效室溫磷光的普適性。該團(tuán)隊(duì)調(diào)整抗衡離子和發(fā)色團(tuán)單元，設(shè)計(jì)合成了5個(gè)藍(lán)色磷光材料、2個(gè)綠色磷光材料和5個(gè)黃色磷光材料，均實(shí)現(xiàn)了長壽命、高效室溫磷光。其中，他們實(shí)現(xiàn)了效率高達(dá)96.5%的世界紀(jì)錄級的藍(lán)色室溫磷光發(fā)光。

　　“藍(lán)光，作為光的三原色之一，在照明和全彩顯示方面至關(guān)重要。但綠光和紅光及其他顏色光也必不可少，尤其在構(gòu)筑白光方面。我們一直致力于實(shí)現(xiàn)高效、長壽命的白色磷光和全彩余輝顯示，這需要各個(gè)顏色的材料按照比例混合才能實(shí)現(xiàn)?！秉S維希望，未來能夠?qū)崿F(xiàn)全彩余輝顯示。

　　創(chuàng)意應(yīng)用 潛力巨大

　　創(chuàng)新科技，研有所用。除了理論創(chuàng)新，黃維等還實(shí)現(xiàn)了新材料在多個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)意應(yīng)用，余輝顯示屏是其中一大創(chuàng)舉。利用新型磷光材料的高效長余輝特性，研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了這一材料在余輝顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　據(jù)安眾福介紹，在日常生活中，這種新型顯示屏可應(yīng)用于信息顯示（包括數(shù)字、文字、圖案、動畫等）、路徑追蹤、路標(biāo)警示燈、信號燈等，以及生活中閃爍的裝飾燈光。余輝顯示器件在雷達(dá)顯示屏、以及深?；蛱盏臉O端環(huán)境下的顯示方面都有巨大的應(yīng)用潛力。

　　同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)基于離子晶體TSP制備了加密墨水。普通日光下，它不能顯示加密信息；關(guān)掉光源后，會呈現(xiàn)出加密信息。該材料還具有優(yōu)異的噴墨打印加工性能，可快速、高精度地進(jìn)行數(shù)字、文字、圖案、條形碼、二維碼等的打印，有望應(yīng)用于信息加密、信息傳輸、智能識別和商標(biāo)防偽等場景。

　　此外，由于這類離子化合物能夠與指紋中的油脂等富羥基結(jié)構(gòu)結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)成功將其應(yīng)用到了指紋識別中，其識別程度極高，甚至指紋中的呼吸孔均能成功識別。值得一提的是，該材料黏附指紋的能力極強(qiáng)，在鼠標(biāo)、手機(jī)、水杯、檔案袋、金屬等日常生活中常見物品上，均能很好地將指紋顯示出來，有望應(yīng)用到刑偵案件的指紋提取中。

　　研究人員表示，這項(xiàng)研究對理解有機(jī)磷光材料分子結(jié)構(gòu)、堆積方式與發(fā)光性能的關(guān)聯(lián)機(jī)制具有重要意義，同時(shí)為純有機(jī)室溫磷光材料邁向新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01073-5