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2022年06月13日
中国科大在构筑手性多级结构铜碘团簇基圆偏振发光材料方面取得进展

近日,中国科大姚宏斌教授课题组在构筑圆偏振发光铜碘团簇基杂化材料方面取得新进展,报道了一种由仿生非经典结晶(BNCC)过程驱动的具有手性多级结构的铜碘团簇基圆偏振发光材料,表现出32%的高光致发光量子产率(PLQY)和1.5×10-2的高发光不对称因子(glum),该方法为构筑高效圆偏振发光材料提供了新的思路,研究成果以题为“Biomimetic non-classical crystallization drives hierarchical structuring of efficient circularly polarized phosphors”发表在国际著名期刊Nature Communications上(Nat. Commun. 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-30989-y)。

具有圆偏振发光特性的手性光学材料在光电器件、光学信息加密等领域有着广泛的应用前景。然而,传统的手性发光材料如手性发光有机小分子、手性发光聚合物等,由于其磁偶极跃迁和电偶极跃迁之间相互制约,很难同时实现高发光效率和高发光不对称因子。通过多级结构的手性放大是提升圆偏振发光材料的有效途径。在自然界中很多生物矿物中,其通过非经典结晶中手性有机分子的调控,可以得到复杂的手性多级结构,这为手性从分子尺度到介观甚至宏观尺度的放大提供了新的思路。

图1.手性多级结构铜碘团簇的非经典结晶过程探究

研究人员基于前期高效发光墨水制备及层层自组装圆偏振光放大策略基础上(J. Am. Chem. Soc. 2020,142, 3686−3690; J. Am. Chem. Soc.2021,143, 10860−10864),设计并合成了一系列以三乙烯二胺为结构骨架的手性配体,并使其与铜碘团簇杂化复合,构筑了一系列单一手性的结构单元。基于这一系列新型手性结构单元,在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的调节下,通过非经典结晶策略自组装成为具有一系列多级结构的手性多晶圆偏振发光材料。研究人员还对组装结晶的过程和机理进行了探究,清晰地揭示了结晶过程主要经历了纳米颗粒的成核、聚集、取向搭接和介观转变四个非经典结晶过程(图1)。

图2.配体手性中心位置、链长及浓度对手性多级结构微晶形貌的影响

研究表明静电作用力和手性碳链之间的范德华力是进行组装和手性调节的关键因素。通过对配体的手性中心位置、链长以及浓度的调节,可得到不同微观形貌的手性多晶(图2),并对其手性光学性质进行了精细的调控(图3a-d),揭示了手性光学性质与微观形貌及分子的化学结构之间的构效关系。最终,基于32%的高PLQY和1.5×10-2的高glum值的手性多级结构多晶圆偏振发光材料,研究人员进一步制备了一种在室温下偏振度高达1.84%的圆偏振发光二极管器件(图3e-g)。这项工作为高效圆偏振发光材料的制备提出了一种简便且具有普适性的策略和方法。

图3. a-d手性多晶的手性光学性质表征;e-g圆偏振发射LED的光学性质表征

我校化学与材料科学学院应用化学系博士生冯力喆为该论文的第一作者。该工作的圆偏振发光性能测试得到了我校物理学院樊逢佳教授课题组和安徽大学朱满洲教授团队的大力支持。该工作得到了国家自然科学基金、合肥同步辐射光源联合基金等资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-30989-y


(化学与材料科学学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部)

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