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  • 北理工在纯有机掺杂磷光材料领域取得重要进展


      近日,北理工材料学院的董宇平教授与青年教师蔡政旭设计制备了一系列超长有机掺杂磷光材料。相关成果以“Revealing Insight into Long-lived Room-Temperature Phosphorescence of Host-Guest Systems”为题,发表于顶级学术期刊《Journal of physical chemistry Letters》(文章链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jpclett.9b02411)。材料学院博士研究生雷云祥为该论文的第一作者,北理工董宇平教授和蔡政旭特聘副教授为共同通讯作者。

      具有有机室温磷光性能的材料由于具有荧光材料所不具备的延时发光特性,所以在防伪、生物成像、光电器件等领域具有很强的应用前景。且有机磷光材料相比无机贵金属磷光材料又具有成本低、可塑性强、低毒性等优势,所以引起了研究者的广泛注意。传统的有机磷光材料带有咔唑,羰基或者氯等卤族重原子等。最近日本的Adachi教授等报道了主客体掺杂导致的室温磷光材料,但是此类材料的主体和客体必须一个是给体一个是受体。为了拓展主体或者客体的使用性,董宇平课题组首先设计合成了以三苯胺和苯乙腈为单元的具有D-A结构的客体化合物DOB,该客体具有微弱的短寿命磷光,并选择DOB的前体化合物即具有给体性质的三苯胺(TPA)和具有受体性质的对氰基苯乙腈(CBN)分别作为主体。DOB中的三苯胺单元会和主体CBN发生给受体之间的相互作用,同样DOB中的苯乙腈单元也会和主体TPA发生给受体相互作用。且由于DOB含有三苯胺和苯乙腈部分,会使得DOB容易进入到主体的晶格当中。作者按照客体和主体摩尔比为0.0005:1的比例通过重结晶的方法得到了掺杂材料CBN/DOB和TPA/DOB。相比原本的主体仅具有微弱的荧光,掺杂后的材料具有非常强的荧光(Ф=63%-76%)以及长寿命室温磷光(Ф=7.6%-14.5%, τ="119" ms-317 ms)。作者认为主客体之间的相互作用使得掺杂材料产生新的能级,从而导致掺杂材料具有明显的室温磷光性能。

      此外,作者也探究了其他与TPA或者CBN具有相似结构的化合物作为主体,均可以与DOB掺杂得到具有良好室温磷光性能的掺杂材料,说明作者开发的新体系具有较强的普适性。且该类材料对水、光或者热都具有较好的稳定性。

      

    图1 (a)客体和主体化合物的分子结构。(b)撤掉激发光源前后CBN、TPA、CBN/DOB和TPA/DOB的发光图片。(c)CBN、TPA、DOB粉末及其掺杂材料在室温下的荧光光谱。(d) CBN、TPA、DOB粉末及其掺杂材料在室温下的磷光光谱。(图片来自于ACS) 

    图2 TPA/DOB和CBN/DOB掺杂材料的Jablonski图。S1,D和T1,D表示TPA的单重态和三重态,S1,A和T1,A表示CBN的单重态和三重态,S1,G和T1,G表示客体分子(DOB ),S1,C和T1,C表示主体分子和客体分子之间形成的电荷转移状态的单重态和三重态。(图片来自于ACS)

      该研究进展得到了国家自然科学基金 (51803009,51673024, 51328302, 21404010)以及北理工学术启动基金的资助。

     

    北理工有机发光材料课题组简介:

      董宇平,北京理工大学材料学院教授,国家自然科学一等奖获得者。现主要从事有机发光材料的研究。

      蔡政旭,北京理工大学材料学院特聘副教授,武汉大学获得学士学位,中科院化学所硕博连读,芝加哥大学博士后研究。主要从事具有场效应、AIE特性的发光材料的研究工作,作为第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Int. Ed. Chem. 等高水平期刊发表多篇学术论文。

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