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国家纳米科学中心段鹏飞研究员和中国科学院化学研究所刘鸣华研究员团队实现手性金属有机框架结构诱导的高效固态圆偏振发光

作者: Research编辑部

时间: 2020-03-31 16:04

最近,国家纳米科学中心段鹏飞研究员和中国科学院化学研究所刘鸣华研究员团队利用主客体包覆的策略,制备了一种全波段可调的圆偏振发光金属有机框架(MOFs)材料,并实现了圆偏振白光发射以及上转换圆偏振发射。相关成果以“Dual-Mode Induction of Tunable Circularly Polarized Luminescence from Chiral Metal-Organic Frameworks”为题发表在Research (2020, DOI: 10.34133/2020/6452123)上。

(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/2020/6452123/

研究背景

具有圆偏振发光(CPL)性质的材料由于在3D显示、光学存储、光学防伪以及不对称合成等方面的重要应用,近年来越来越受到研究人员的关注。在制备CPL材料的方法中,手性主体诱导非手性发光客体产生CPL是一个重要的策略。但目前该策略大多是在有溶剂参与的条件下实现的,这大大制约了材料的实际应用。因此开发固态圆偏振发光材料是其应用的关键。

研究现状

最近,国家纳米科学中心段鹏飞研究员和中国科学院化学研究所刘鸣华研究员团队利用一种手性的沸石咪唑型金属有机框架(ZIF)作为主体,将非手性发光客体(有机染料、半导体量子点)装载进其内部空腔,通过手性MOFs所提供的手性微环境,可以赋予客体发光物质以手性,从而获得全波段的固态圆偏振发光材料。如图1所示,将三种染料分别装载入手性MOFs中,制备出了蓝、绿、橙红三种颜色的圆偏振发光固态材料。

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图1  手性MOFs装载染料获得可调的圆偏振发光

进一步调节客体比例,将三种染料同时装载入手性MOFs中,则可以得到波段覆盖400-750 nm的白光圆偏振发射MOFs固体材料。此外,将上转换纳米粒子(UCNP)作为客体还可以获得具有高不对称因子(glum)的上转换圆偏振发光(UC-CPL) (图2)。

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图2  手性MOFs装载上转换纳米粒子获得上转换圆偏振发光(UC-CPL)

本研究发现处于MOFs手性环境中的染料和量子点均可以检测到CPL信号,但两者的CPL信号是相反的。通过对比手性MOFs的圆二色性(CD)信号,可以发现染料手性遵循MOFs的本征手性而量子点则相反。考虑到两者尺寸与MOFs框架中“手性笼”尺寸的差距,有机分子可以被包裹进手性MOFs笼的内部,因此其手性遵循MOFs的手性;而大尺寸的量子点超出一个笼子的尺寸,其被MOFs的框架包裹,诱导手性与笼的手性相反。因此,该工作利用客体尺寸的不同,在手性MOFs中实现了双模式诱导的CPL (图3)。

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图3  手性MOFs中双模式诱导的圆偏振发光

未来展望

本工作通过主客体手性诱导策略,实现了不同种类发光物质的固态圆偏振发光,为构筑固态圆偏振发光材料提供了简单可行的方法。该类材料在圆偏振发光二极管、圆偏振激光、上转换不对称光催化等领域有着潜在应用价值。

作者简介

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段鹏飞,国家纳米科学中心研究员,中国科学院“百人计划”入选者。毕业于中国科学院化学研究所。主要研究领域为分子、纳米光化学与物理。研究方向包括分子、纳米组装体系中电子、能量和光学信息的传递、转移和交互,纳米发光材料的制备和应用,手性物理化学等。近年来在有机材料的光子频率上转换研究,手性材料发光物理化学等方向做了大量的系统性工作。

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刘鸣华,中国科学院化学研究所研究员。毕业于南京大学,后在日本埼玉大学获得博士学位,先后任职于日本科学技术厅理化学研究所、东京农工大学、中科院感光化学研究所、中科院化学研究所、国家纳米科学中心。其主要研究领域是界面组装体的超分子手性研究,基于新型两亲分子的组装,生物分子的组装与功能化和有机凝胶与软物质材料研究等。尤其是在手性超分子化学领域开展了大量开创性的研究,发表了一系列学术论文,系统揭示了超分子手性的产生、传递、放大、记忆和开关等特征和规律,揭示了超分子手性特有的功能,推动了手性研究从分子层次向超分子层次迈进。研究成果对手性化学、超分子化学及材料科学等交叉领域具有重要意义。

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