分子篩限域碳點實現(xiàn)超長壽命熱活化延遲熒光

劉忠范

熱活化延遲熒光(TADF)材料由于其較小的單重態(tài)-三重態(tài)能級差(ΔEST)，三重態(tài)可通過反系間竄躍轉(zhuǎn)向單重態(tài)而發(fā)出延遲熒光，從而獲得潛在的高熒光量子效率。這類材料獨特的發(fā)光性能使其在光電器件、生物成像、傳感等應(yīng)用方面展現(xiàn)出優(yōu)勢1,2。但目前報道的TADF材料主要集中于純有機材料和有機金屬絡(luò)合物，其延遲熒光壽命通常處于微秒到若干毫秒的范圍。同時，此類材料的延遲熒光易被環(huán)境中的氧氣淬滅，也限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

最近吉林大學(xué)于吉紅教授課題組提出了“量子點于分子篩中(dots-in-zeolites)”的合成策略，成功開發(fā)出一類全新的在室溫空氣環(huán)境下具有超長延遲熒光壽命的 TADF材料，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Science Advances上3。她們通過一步水熱/溶劑熱的合成方法，可以原位地將碳點限域在分子篩基質(zhì)中；通過調(diào)變不同的溶劑和有機胺物種，制備出一系列碳點@分子篩復(fù)合發(fā)光材料，該類材料具有碳點典型的激發(fā)波長依賴的發(fā)光行為。

在室溫空氣條件下，該類碳點@分子篩復(fù)合材料在紫外激發(fā)停止后可以展現(xiàn)出肉眼可見的延遲熒光發(fā)光現(xiàn)象，其熒光量子效率高達(dá) 52.14%，延遲熒光壽命長達(dá)350 ms。該材料在環(huán)境溫度升高的過程中，其長壽命組分相應(yīng)增加，表明熱能可以活化材料的延遲熒光發(fā)光性能，從而證明其發(fā)光過程為 TADF發(fā)光。研究人員發(fā)現(xiàn)，分子篩的納米空間限域作用對這類復(fù)合材料獨特的 TADF發(fā)光現(xiàn)象起到關(guān)鍵作用。分子篩基質(zhì)可以限制碳點表面官能基團的振轉(zhuǎn)，有效地避免三重態(tài)以非輻射過程淬滅，穩(wěn)定了三重態(tài)；材料具有較小的ΔEST，使電子在室溫?zé)崮芑罨录纯蓪崿F(xiàn)從三重態(tài)到單重態(tài)的反系間竄躍，從而導(dǎo)致了 TADF發(fā)光現(xiàn)象。同時，分子篩基質(zhì)也有效地保護(hù)了三重態(tài)免受氧氣的淬滅，使得材料在空氣環(huán)境下即可顯示出超長的延遲熒光現(xiàn)象。

“量子點于分子篩中”的合成策略簡便、普適，對豐富TADF材料的種類、拓寬TADF材料應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種全新的思路。該合成理念也同樣適用于其他類型的納米熒光材料和主體基質(zhì)材料，為新型光電材料、生物成像材料的開發(fā)帶來了全新的啟示。

(1) Uoyama, H.; Goushi, K.; Shizu, K.; Nomura, H.; Adachi, C. Nature 2012, 492, 234. doi: 10.1038/nature11687

(2) Tao, Y.; Yuan, K.; Chen, T.; Xu, P.; Li, H.; Chen, R.; Zheng, C.; Zhang,L.; Huang, W. Adv. Mater. 2014, 26, 7931.doi: 10.1002/adma.201402532

(3) Liu, J.; Wang, N.; Yu, Y.; Yan, Y.; Zhang, H.; Li, J.; Yu, J. Sci. Adv.2017, 3, e1603171. doi: 10.1126/sciadv.1603171