北理工在純有機摻雜磷光材料領域取得重要進展


  近日,北理工材料學院的董宇平教授與青年教師蔡政旭設計制備了一系列超長有機摻雜磷光材料。相關成果以“Revealing Insight into Long-lived Room-Temperature Phosphorescence of Host-Guest Systems”為題,發表于頂級學術期刊《Journal of physical chemistry Letters》(文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.9b02411)。材料學院博士研究生雷云祥為該論文的第一作者,北理工董宇平教授和蔡政旭特聘副教授為共同通訊作者。

  具有有機室溫磷光性能的材料由于具有熒光材料所不具備的延時發光特性,所以在防偽、生物成像、光電器件等領域具有很強的應用前景。且有機磷光材料相比無機貴金屬磷光材料又具有成本低、可塑性強、低毒性等優勢,所以引起了研究者的廣泛注意。傳統的有機磷光材料帶有咔唑,羰基或者氯等鹵族重原子等。最近日本的Adachi教授等報道了主客體摻雜導致的室溫磷光材料,但是此類材料的主體和客體必須一個是給體一個是受體。為了拓展主體或者客體的使用性,董宇平課題組首先設計合成了以三苯胺和苯乙腈為單元的具有D-A結構的客體化合物DOB,該客體具有微弱的短壽命磷光,并選擇DOB的前體化合物即具有給體性質的三苯胺(TPA)和具有受體性質的對氰基苯乙腈(CBN)分別作為主體。DOB中的三苯胺單元會和主體CBN發生給受體之間的相互作用,同樣DOB中的苯乙腈單元也會和主體TPA發生給受體相互作用。且由于DOB含有三苯胺和苯乙腈部分,會使得DOB容易進入到主體的晶格當中。作者按照客體和主體摩爾比為0.0005:1的比例通過重結晶的方法得到了摻雜材料CBN/DOB和TPA/DOB。相比原本的主體僅具有微弱的熒光,摻雜后的材料具有非常強的熒光(Ф=63%-76%)以及長壽命室溫磷光(Ф=7.6%-14.5%, τ="119" ms-317 ms)。作者認為主客體之間的相互作用使得摻雜材料產生新的能級,從而導致摻雜材料具有明顯的室溫磷光性能。

  此外,作者也探究了其他與TPA或者CBN具有相似結構的化合物作為主體,均可以與DOB摻雜得到具有良好室溫磷光性能的摻雜材料,說明作者開發的新體系具有較強的普適性。且該類材料對水、光或者熱都具有較好的穩定性。

  

圖1 (a)客體和主體化合物的分子結構。(b)撤掉激發光源前后CBN、TPA、CBN/DOB和TPA/DOB的發光圖片。(c)CBN、TPA、DOB粉末及其摻雜材料在室溫下的熒光光譜。(d) CBN、TPA、DOB粉末及其摻雜材料在室溫下的磷光光譜。(圖片來自于ACS) 

圖2 TPA/DOB和CBN/DOB摻雜材料的Jablonski圖。S1,D和T1,D表示TPA的單重態和三重態,S1,A和T1,A表示CBN的單重態和三重態,S1,G和T1,G表示客體分子(DOB ),S1,C和T1,C表示主體分子和客體分子之間形成的電荷轉移狀態的單重態和三重態。(圖片來自于ACS)

  該研究進展得到了國家自然科學基金 (51803009,51673024, 51328302, 21404010)以及北理工學術啟動基金的資助。

 

北理工有機發光材料課題組簡介:

  董宇平,北京理工大學材料學院教授,國家自然科學一等獎獲得者。現主要從事有機發光材料的研究。

  蔡政旭,北京理工大學材料學院特聘副教授,武漢大學獲得學士學位,中科院化學所碩博連讀,芝加哥大學博士后研究。主要從事具有場效應、AIE特性的發光材料的研究工作,作為第一作者或通訊作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed. Chem. 等高水平期刊發表多篇學術論文。

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