磷光材料|科学家实现高效蓝色室温磷光
提起夜明珠，人们不会陌生，它在黑暗中发的光是磷光 。随着科技的发展，人们不仅可以“炮制”像夜明珠一样的磷光材料，而且赋予它照明以外的多种用途 。
近日，西北工业大学黄维院士、南京工业大学安众福教授联合新加坡国立大学刘小钢教授提出“发色团限域”策略，利用最简单的分子实现最优异的磷光性能 。研究团队还“一光多用”，开发出具有多重应用价值的磷光材料器件 。相关研究近日发表于《自然—材料学》 。
冲破“瓶颈” 抑制猝灭
蓝光，作为光的三原色之一，是固态照明和全彩显示的核心组分，同时在生物医学、光通信等领域展现出广阔的应用前景 。2014年诺贝尔物理学奖就颁给了“高亮度蓝色发光二极管（LED）”的三位发明者 。
目前，各种蓝光材料得到广泛研究开发，有机室温磷光材料正是其中热门的前沿领域之一 。
磷光材料，是一种在某种波长的入射光（如紫外可见光，X、β、γ等高能射线）照射下能发出磷光的材料，且激发停止后仍可发光（激发停止后不能发光的为荧光） 。因此，长余辉是磷光材料的一大特点 。不过，实现长寿命、高效率的蓝色室温磷光一直存在“瓶颈” 。
“通常，获得高效率的室温磷光需要满足两个基本条件，即有效促进单/三线态激子间的系间窜越，这主要依赖于分子结构设计；有效抑制三线态激子的猝灭，即让光子产生的数量在短时间内难以衰减或消失 。”文章共同通讯作者、中科院院士黄维向《中国科学报》解释道 。
他表示，目前晶体工程是一种有效抑制三线态激子猝灭的策略 。但晶体中的一种弱相互作用——分子间π-π堆积，却成为实现高效蓝色磷光的主要“瓶颈” 。一方面，它非常容易导致三线态激子间的猝灭，给效率提高造成很大困难；另一方面，它还会使发色团共轭度增加，发光红移，难以实现蓝色磷光 。
针对这一挑战，联合团队基于前期对聚集态磷光的理解和对低温77K下溶液单分子态磷光现象的思考，利用强作用力的离子键，创造性地提出了“发色团限域”策略，成功构筑了具有分子态高效室温磷光的有机离子晶体材料 。
“笼锁”发色团 创造新纪录
在最新研究中，黄维等以均苯四甲酸（PMA）多羧酸化合物为研究模型，合成了均苯四甲酸四钠盐（TSP）的高效蓝色室温磷光离子晶体材料 。
他们发现，光激发后，有机离子晶体TSP呈现肉眼可见的明亮蓝色长余辉现象（通常是指关闭激发光后，发光物质能持续发光超过100毫秒以上的发光现象），余辉持续时间3秒有余 。其稳态光致发光光谱和磷光光谱几乎完全重叠，仅在325纳米处出现一个极小的荧光峰，磷光效率高达66.9% 。
实现这一成绩，是因为研究者独辟蹊径，找到一种办法“对付”发色团——能对光辐射产生吸收、具有高的激子跃迁速率的芳香功能基团 。
“由于离子键没有方向性和饱和性，使得分子周围可以结合众多的抗衡离子 。离子化的发色团被抗衡离子完全包围，如同孤立在一个笼子当中，与周围发色团完全隔离，限域在一个刚性、孤立的环境中 。”论文共同通讯作者安众福比喻说，“同时，羧酸基团不仅可以形成离子键，而且还有利于促进激子的系间窜越 。”
在进一步研究中，团队发现离子晶体TSP具有类似低温稀溶液单分子态磷光的性质 。通过单晶分析，他们确认离子化的发色团被抗衡离子完全包围 。理论计算也表明，离子化后的结构，其自旋轨道耦合常数得到了显著提高，为实现高效磷光提供条件 。
为了证实这一猜想，研究者又合成了均苯四甲酸二钠盐（DSP），从侧面论证了刚性、孤立的分子态模式对磷光性能提升的重要性 。单晶分析再次表明，发色团之间存在明显的π-π堆积，该堆积会使发色团共轭度增加，DSP发黄绿光余辉，并且效率非常低，难以实现高效分子态蓝色磷光 。
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