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黄维院士、安众福教授课题组新进展:多晶型依赖的动态超长有机磷光

作者: Research编辑部

时间: 2020-03-26 16:33

近日,黄维院士、安众福教授课题组报道了一种多晶型依赖的动态超长有机磷光材料,揭示了晶体中分子堆积形态与动态超长有机磷光的内在关系,并实现了其在智能化电子领域中的应用。相关成果以“Polymorphism-Dependent Dynamic Ultralong Organic Phosphorescence”为题发表于Research上(Research, 2020, 8183450, DOI: 10.34133/2020/8183450)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2020/8183450/

研究背景

刺激响应材料,又称智能材料,是指其物理性质随外界刺激(如光、热、力等)而变的一类材料,被广泛应用于数据加密、信息存储、生物传感等领域。最近,光活化的动态超长有机磷光材料——磷光性质随光照时间而变——逐渐进入人们视野,这为开发新型刺激响应材料开辟了新的方向。然而,这一新型材料的内在发光机理仍不明确,严重阻碍了新型智能材料的开发。

迄今为止,仅在晶体条件下观测到有机材料的光活化动态超长磷光现象,也就是说,这一现象与晶体中的分子堆积息息相关。因此,迫切需要构建多晶型的有机材料,研究其动态超长磷光性质在不同光活化时间下的差异,揭示分子堆积与动态超长有机磷光的内在关系,指导新型动态超长有机磷光材料的开发。

研究进展

近日,西北工业大学黄维院士、安众福教授带领团队设计了一种高度扭曲的分子PyCz,通过简单的溶剂挥发法,得到了该分子的块状PyCz-B和针状PyCz-N两类晶体。紫外灯照射后,这两种晶体均具有光激活的动态磷光现象。不同的是,光照3秒后,便可明显的观测到PyCz-B的超长余辉现象,而PyCz-N却需要6分钟的光激活(图1)。

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图1  PyCz的两种晶体展现出不同的光激活速度

两种晶体的光物理性质研究表明,随光照时间增长,磷光强度逐渐增强,磷光寿命显著延长。更为重要的是,PyCz-B晶体的光激活速度和失活速度要明显快于PyCz-N(图2),这为揭示分子排布与动态超长磷光现象的内在关系提供了重要依据。

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图2  PyCz两种晶体的动态光物理性质

进一步晶体分析显示,光激活后晶体中分子排布变得更加紧密,这将大大限制分子运动,抑制非辐射跃迁过程,从而使得磷光寿命延长。此外,PyCz-N晶体中分子间的相互作用远强于PyCz-B晶体,紧密的堆积使得分子不易发生运动,从而导致其较慢的动态光活化/失活速度。理论计算表明PyCz-N激活前后的能量差更大(图3),进一步证实了上述推论。

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图3  多晶型光激活动态磷光的机理研究

最后,利用PyCz光激活动态磷光的刺激响应性质,将该材料成功应用于逻辑门以及数据存储中(图4)。

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图4  光激活动态磷光材料在逻辑门和数据存储中的应用

未来展望

基于同一分子多晶型的光激活动态磷光的研究,不仅能够清晰的揭示分子排布与光激活动态磷光性能的关联机制,为具有磷光性质的有机智能材料的设计奠定理论基础,而且能够拓展该类材料的应用领域。同时,这为开发新型智能材料提供了机遇。

作者简介

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黄维,西北工业大学常务副校长,中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。“长江学者”特聘教授,国家“杰出青年科学基金”获得者,“千人计划”(溯及既往)国家特聘专家,“973”项目首席科学家,《Research》主编(中国)。长期从事聚合物发光二极管显示研究并长期活跃在有机光电子学、柔性电子学领域。从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息、生命和医学等多个学科、交叉融合发展起来的有机(光)电子学、塑料电子学、印刷电子学和柔性(光)电子学等国际前沿学科研究,在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进科技成果转化与产业化方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作,是中国有机(光)电子学科和柔性(光)电子学科的奠基人与开拓者。以第一或通讯作者身份在Nature、Nature Materials、 Nature Photonics、Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Nature Communications等顶级学术期刊发表研究论文760余篇,h因子为131,国际同行引用逾73000次,是材料科学与化学领域全球高被引学者,在SciVal(全球顶级科技论文数据库)材料学科以及OLED、SolarCell和Conjugated Polymer领域论文发表方面排名全球第一,获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项,出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。

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安众福,教授,南京工业大学。主要围绕有机光电功能材料的共性科学问题开展工作:设计合成新型有机光电功能材料,研究分子结构-聚集态性质-光电器件性能的关系,并探索其在有机光电领域中的应用,包括光电显示、化学与生物传感、生物成像以及防伪等领域。首次设计并制备了多个系列的室温单组份有机超长寿命磷光材料,即有机“夜明珠”,其激发态寿命长达秒级;开创了一种新型数据加密方法,让其加密效果通过裸眼就能直接观察。截止目前,以第一作者或通讯作者身份在Nature Materials、Nature Photonics、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等学术期刊上发表论文60余篇。

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马会利,副教授,南京工业大学先进材料研究院。主要从事有机光电材料的理论与计算模拟工作,包括新理论方法与模拟软件的开发;有机磷光、金属配合物、热激活延迟荧光等材料结构—性能关系的理论研究,探索分子结构-聚集形态-光物理性质的内在关联机制。针对有机芳香体系,首次提出利用理论描述符来描述有机室温磷光材料,且普适性较好。目前已在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、The Journal of Physical Chemistry Letters等国际知名期刊上发表40余篇学术论文。

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