北理工与温大携手构建室温磷光+力致发光的有机掺杂材料

成果简介

2021年9月23日，北京理工大学董宇平教授与温州大学雷云祥老师在Advanced Functional Materials 上发表合作论文：《Achieving Efficient Phosphorescence and Mechanoluminescence in Organic Host–Guest System by Energy Transfer》。该研究基于主客体掺杂策略，构建出同时具有室温磷光（RTP）以及力致发光（ML）的有机掺杂材料，并对该类材料的发光机理进行了深入探究。

背景介绍

具有室温磷光（RTP）的有机化合物因其发光寿命长、信噪比高等特征，在数据存储、高级防伪和“零背景”生物医学成像一体化等领域有广泛的应用前景。

主客体掺杂策略是一种构建RTP材料的方法，具有制备过程可控、灵活性强等优点。该方法不仅可极大扩展有机RTP材料的构建范围，还可以改善其磷光性能。研究中发现，在使用该方法时，微量客体可引发宿主基质出现超长余辉现象。那么，能否利用该现象，使材料同时具有室温磷光和力致发光的特性呢？

为了解决这一难题，北京理工大学董宇平教授与温州大学雷云祥老师团队在理论计算以及前期经验的基础上，对主体和客体分子进行了大量的修饰和筛选，最 终，成功构建出同时具有室温磷光以及力致发光的有机掺杂材料。该掺杂材料具备较强的室温磷光，寿命超过 200 毫秒，量子产率为 30%。此外，掺杂体系在机械刺激下会发出蓝色荧光，即表现出罕见的力致发光现象。

实验方法简述

本研究利用主体分子的结晶性以及压电效应，使得主体在不同的环境中起到不同的作用，进而得到同时具有室温磷光以及力致变色效应的有机掺杂材料，拓展并提升了材料的发光功能性。

图1 主体和客体分子的分子结构

选择结晶度优良的三苯胺(TPA)作为主体，以及4个具有2-4个三苯胺重复单元的客体(2TPA, 3TPA, 4TPAB, and 4TPAL)。通过物理性加热的方法使两者进行融合，得到主客体化合物混合均匀的掺杂材料。因主体和客体分子结构的相似性，大大简化了对掺杂体系中发光机制的探索。

材料合成后，课题组又使用多种仪器，包括HORIBA 的荧光光谱仪（FluoroMax-4），对材料的各项性能进行了精 准和高效测试，如：室温和低温稳态/瞬态光谱、稳态/瞬态发光寿命、稳态/瞬态发光效率等，得到了高重复性和高稳定性的数据。

图2. a) 掺杂材料的稳态发射光谱 b) 掺杂材料的延迟发射光谱（λex=340 nm，延迟时间=1 ms）

 c) 掺杂材料在室温下的磷光和d) 延迟荧光时间分辨衰减曲线

e) 365 nm光照和关闭光照下的照片（从上到下：TPA/2TPA, TPA/3TPA, TPA/4TPAB, 和TPA/4TPAL）

测试结果显示，掺杂材料显示出强室温磷光，寿命超过 200 毫秒，量子产率为 30%。此外，掺杂体系在机械刺激下会发出蓝色荧光，即表现出一种罕见的机械发光现象。

图3 a) 主体和客体分子的能量水平  

b) ML过程中宿主和客体之间的能量转移路径

c) 比较所提出的RTP和ML过程的机制

实验结果证明，主体在不同的发光过程中扮演着不同的角色。在光致磷光过程中，主体的三线态能级辅助客体激子进行系间穿越。同时，在ML过程中，由于主体晶体的压电特性而产生的能量传递给客体，使客体分子发出荧光。这项工作对于构建具有多种发光特性（包括 RTP 和 ML）的掺杂材料具有重要意义。

检测手段推荐及分析

Recommendation

Fluorolog-QM 模块化稳瞬态荧光光谱仪

模块化设计，可针对不同应用实现个性化配置。

适用于AIE、钙钛矿、近红外一区二区荧光探针、稀土纳米发光材料、量子点、光功能材料等热点应用。

• 激发波长低至180nm起，发射波长可覆盖185~5500nm

• 全波长范围准确聚焦，无色差

• 高灵敏度35000:1，高分辨率0.1nm

• 全套寿命测试技术（TCSPC、MCS、SSTD和延迟技术），可实现全光谱稳瞬态、延迟光谱测试功能

课题组介绍

董宇平，北京理工大学二级教授，博士学位，博士研究生导师。获得2017年度国家自然科学奖一等奖(排名第三)。研究方向为有机发光功能材料。

雷云祥，温州大学化学与材料工程学院副教授，博士学位，硕士研究生导师。在Nature. Communications, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Chem, Sci., 等国际期刊上发表学术论文二十余篇。

联系作者：yunxianglei@wzu.edu.cn