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纯有机材料的室温磷光研究进展

期刊:Chinese Chemical LettersDOI:10.1016/j.cclet.2016.06.029

类型b

这篇综述文章由Yang Liu、Ge Zhan、Zhi-Wei Liu、Zu-Qiang Bian 和 Chun-Hui Huang撰写,作者们均来自北京大学分子科学国家重点实验室和稀土材料化学及应用国家重点实验室。文章发表在《Chinese Chemical Letters》2016年第27卷。

本文的主题是关于纯有机材料的室温磷光(Room-Temperature Phosphorescence, RTP)的研究进展。文章首先介绍了RTP的基本原理,包括促进系间窜越(Intersystem Crossing, ISC)效率的方法以及抑制非辐射跃迁的策略。接着,详细列举了近年来在流体介质和刚性介质中实现纯有机材料RTP的主要研究进展,并讨论了这些研究成果的意义与价值。

主要观点一:RTP的基本原理

文章指出,RTP的产生需要满足两个基本条件:一是通过促进ISC效率来增加三重态激发态的布居;二是通过抑制非辐射跃迁来提高三重态到基态的辐射跃迁率。为了促进ISC效率,可以使用含有芳香羰基、重原子或杂环/杂原子的化合物。这些结构能够打破相同电子组态之间的自旋轨道耦合禁阻,从而增强ISC过程。例如,芳香羰基化合物中的S → Tn,p跃迁比芳香烃中的S → Tp,p跃迁更可能(概率高出100至1000倍)。此外,重原子效应(如溴或碘原子)也被广泛用于增强ISC效率。

支持证据包括实验数据表明,当单重态(S1)和三重态(T1)之间的能量差极小时(约100 meV),ISC和反向ISC(RISC)都会显著增强。同时,Ei-Sayed规则指出,不同电子组态的单重态和三重态混合能够极大地促进自旋轨道耦合,例如(p, p)和(n, p)组态的混合。

主要观点二:流体介质中的RTP

在流体介质(如溶液)中,由于分子内运动(旋转和振动)和分子间碰撞频繁,非辐射弛豫占主导地位,因此实现RTP较为困难。然而,通过引入芳香羰基、杂环或重原子等特定化合物,可以有效提升ISC效率,从而在流体介质中实现RTP。例如,Gutiérrez等人首次在溶液中确认了RTP的存在,这突破了传统上观察RTP所需的刚性条件。随后,Takeuchi等人报道了一种含溴和甲酰基的芴衍生物(Br-FL-CHO),在常见有机溶剂中表现出明亮的RTP,磷光量子产率为5.9%。

支持证据包括实验结果表明,Br-FL-CHO在氩气氛围下于500 nm处出现发射峰,而在氧气存在下完全消失,这一现象可通过交替通入氩气和暴露于空气重复再现。进一步实验表明,只有当溴和甲酰基同时存在于芴母体中时,才能观察到RTP,说明RTP是由溴和甲酰基取代基协同作用促进的。

主要观点三:刚性介质中的高效RTP

将分子固定在刚性介质中是一种防止因分子内运动(如旋转和振动)和分子间碰撞导致失活的有效方法,从而抑制非辐射弛豫。结合提升ISC效率的方法,越来越多的纯有机材料在刚性介质中实现了高效的RTP。例如,Kim等人通过将溴代芳香醛嵌入玻璃态聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基质中,发现随着等规PMMA(iPMMA)含量的增加,磷光量子产率从0.7%提升至7.5%。此外,通过降低温度也能显著改善磷光性能。

支持证据包括实验数据显示,当iPMMA在无规PMMA(aPMMA)中的相对含量从0增加到100%时,磷光量子产率显著提升。同时,低温条件下磷光性能的改善进一步验证了这一点。

主要观点四:结晶诱导的RTP

晶体状态为磷光体提供了一个刚性框架,使得因分子运动引起的非辐射通道被阻断。此外,某些堆积模式中的强分子间相互作用会导致相邻分子之间显著的电子耦合,从而使纯有机材料在晶体状态下实现高效的RTP。例如,Tang等人报道了一系列芳香化合物的结晶诱导磷光(Crystallization-Induced Phosphorescence, CIP)现象,特别是在苯乙酮衍生物中表现突出。

支持证据包括实验结果表明,这些化合物在晶体状态下于室温下发出蓝光或蓝绿光,且具有长寿命。晶体的发射光谱与稀溶液在77 K下的磷光光谱相似,证明了晶体中三重态激发态因分子内运动受限而获得了更高的辐射跃迁机会。

本文的意义与价值

本文系统总结了近年来纯有机材料RTP的研究进展,为设计高效RTP材料提供了重要的理论指导和实践参考。文章不仅阐述了RTP的基本原理,还详细介绍了在流体介质和刚性介质中实现RTP的具体策略,以及结晶诱导RTP的独特现象。这些研究成果不仅丰富了光物理领域的基础理论,还为开发新型有机发光材料(如OLEDs)、秘密记录基材和传感器等实际应用提供了广阔的前景。文章强调了通过抑制非辐射跃迁和增强ISC效率来构建高效RTP材料的重要性,为未来研究指明了方向。

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