共晶调控多重衰减通道改善放大自发辐射性质

有机激光在光通信、高通量传感、三维成像和数据存储中具有非常广阔应用前景。放大自发辐射（ASE）是有机激光的本质特征，辐射衰减通道与有机半导体的四能级系统紧密相连，从而极大地影响了ASE特性。具有高辐射速率和弱分子间振动的局域化激子更有利于获得低的ASE阈值，然而分子排列、辐射衰减过程和ASE性质之间的调控机制尚未完全理解。有机半导体通常具有多种不同的发射波段，导致光子能量转移到ASE的效率比较低，因而阻碍了高效ASE和激光分子材料的发展。如何从聚集态结构层次理性调控不同发射波段辐射衰减通道并进一步改善ASE特性是一个极具挑战性课题。

近日，中国科学院化学研究所的甄永刚研究员（点击查看介绍）等人利用卤键共晶有效调控了分子材料的聚集态结构，进一步调节了不同发射波段辐射衰减通道，极大的改善了分子材料的ASE特性。深入研究了聚集态结构、辐射衰减过程和ASE特性之间的关系规律，表明共晶能有效调控多重辐射衰减通道，为高效有机ASE和激光材料的发展提供了新的思路。

研究者利用1,4-二溴四氟苯和1,4-二碘四氟苯作为卤键给体，2,6-二吡啶蒽作为卤键受体构建了卤键共晶。当卤键从C–Br•••N变为C–I•••N，共晶的堆积结构从交替柱变为分列柱堆砌，具有更强的卤键和C–H•••π分子间作用力，表现出更少数目低频振动模式，辐射衰减速率提高了10倍，但发射波长基本保持不变，并且多个辐射衰减通道中ASE辐射衰减选择性提高了4倍以上，虽然荧光量子产率只有3%，但激光阈值从223 μJ/cm²降低到22 μJ/cm²。

研究者提出了有机ASE材料共晶工程的重要设计原则：（1）分子识别基团微小改变能带来分子间作用力、堆积结构和辐射衰减过程的巨大变化，同时保持ASE波段几乎不变；（2）更强的分子间作用力有利于降低低频振动模式的数目和黄-里斯因子；（3）ASE阈值不仅与辐射衰减速率相关，而且与辐射衰减选择性密切相关，即使荧光量子产率大为降低，也可大幅度地降低ASE阈值。

研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，第一作者为中国科学院化学研究所Geetha Bolla博士、首都师范大学廖清教授、德国明斯特大学Saeed Amirjalayer博士和中国科学院化学研究所涂泽一博士研究生。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委和中国科学院青年创新促进会的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cocrystallization Tailoring Multiple Radiative Decay Pathways for Amplified Spontaneous Emission

Geetha Bolla,# Qing Liao,# Saeed Amirjalayer,# Zeyi Tu,# Shaokai Lv, Jie Liu, Shuai Zhang, Yonggang Zhen,* Yuanping Yi, Xinfeng Liu, Hongbing Fu, Harald Fuchs, Huanli Dong, Zhaohui Wang, Wenping Hu

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007655

导师介绍

甄永刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/44768