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手性多级结构圆偏振发光铜碘杂化团簇基杂化材料

注:文末有研究团队简介及本文科研思路分析


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都有着广泛的应用。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,很难同时实现高光致发光量子产率(PLQY)和高发光不对称因子(glum)。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。


因此,中国科学技术大学姚宏斌教授(点击查看介绍)课题组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PLQY和1.5×10-2的高glum,该方法为构筑高效圆偏振发光材料提供了新的思路。

图1. 手性多级结构铜碘团簇的非经典结晶过程


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. Soc2020142, 3686−3690; J. Am. Chem. Soc2021143, 10860−10864),设计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


这一成果近期发表在Nature Communications 上。文章的第一作者是中国科学技术大学应用化学系博士生冯力喆,通讯作者为中国科学技术大学应用化学系姚宏斌教授。该工作的圆偏振发光性能测试得到了中国科学技术大学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。


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):

Biomimetic non-classical crystallization drives hierarchical structuring of efficient circularly polarized phosphors

Li-Zhe Feng, Jing-Jing Wang Tao Ma, Yi-Chen Yin, Kuang-Hui Song, Zi-Du Li, Man-Man Zhou, Shan Jin, Taotao Zhuang, Feng-Jia Fan, Man-Zhou Zhu, Hong-Bin Yao*

Nat. Commun., 202213, 3339, DOI: 10.1038/s41467-022-30989-y


课题组介绍


中国科学技术大学姚宏斌课题组以高效能源器件的功能需求为导向,围绕金属卤化物材料结构和功能调控构建高效能量转换器件开展能源材料化学相关基础研究。课题组已在JACS,Angew. Chem.,Nano Lett.,Adv. Mater.,Nat. Commun.等高影响力学术期刊发表SCI收录论文130余篇,所有论文已被引用20000余次,H因子63。


https://www.x-mol.com/university/faculty/26727 


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:我们最初的目的是借助铜碘团簇杂化材料的高发光效率、制备方法简单、结构多样等优势,通过手性结构的引入制备出高效的圆偏振发光材料。我们将手性有机配体的手性成功转移到铜碘团簇中后,发现其手性光学信号较弱,受到有机小分子和生物大分子的共同调控手性生物矿物形成的启发,于是我们利用高分子表面活性剂和手性配体的调控实现从分子尺度到介观尺度的手性转移与放大,最终制备出高效的圆偏振发光材料。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:该研究中最大的挑战在于结晶过程和机理的探索,由于结晶过程的中间步骤比较难以捕捉,并且体系中存在有大量聚合物,这对结晶过程的表征带来了较大的困难。在这个过程中,我们较为精细的调控和对反应的后处理方法起到了关键性的作用。未来我们将在金属卤化物发光材料的合成及器件制备方面做出更多的努力,也希望能够与相关领域的研究者一起合作将研究推向更高的层次。


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