具有交叉偶极排列结构的“蝴蝶型”荧光分子

高效率有机发光材料在光电器件如有机电致发光和有机激光等领域有着广阔的应用前景。然而,发光分子在聚集态由于相邻分子激子间的相互作用,通常表现出明显的荧光聚集淬灭现象。为了避免荧光淬灭,研究人员在发光材料的分子设计和聚集态结构调控等方面开展了大量研究工作。研究表明,相比于传统H-聚集或J-聚集的跃迁偶极平行排列结构,跃迁偶极交叉排列结构更有利于减弱相邻分子激子间的相互作用,增强荧光发射。然而,由于分子设计及结构修饰等方面的困难,具有跃迁偶极交叉排列结构的分子鲜有报道。

吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室田文晶教授课题组通过对二苯乙烯基蒽进行修饰,设计合成了一种“蝴蝶型”的荧光分子BDPVA,并实现了跃迁偶极交叉排列结构。在BDPVA分子中,端基引入的苯环提供了较大的空间位阻,使相邻分子在形成密堆积结构时不仅有一定程度的错位滑移,同时在分子间弱相互作用(如CH-π作用等)下也具有较大程度的旋转:沿一维分子柱堆积方向的相邻分子的分子长轴夹角为67°,这极大减弱了相邻分子间的激子耦合作用,使分子在聚集态具有较高的辐射跃迁速率。此外,分子自身的扭曲结构抑制了相邻分子相互靠近,也有效减弱了分子间振动-激子耦合对发光的影响。因此,BDPVA单晶具有高效的荧光发射,其绝对荧光量子效率达到60%。BDPVA单晶具有优异的放大自发射性质,最小半峰宽为12 nm,最高净增益为69 cm-1,阈值约为200 μJ/cm2,这是目前报道的有机单晶材料作为增益介质的最好结果之一。此外,通过真空蒸镀制备的BDPVA薄膜具有与单晶接近的分子堆积结构,基于BDPVA薄膜制备的非掺杂电致发光二极管具有优良的性能,最高电流效率及功率效率分别达到了9.91 cd/A和7.78 lm/W,最大亮度达到24750 cd/m2。研究结果表明,具有交叉偶极排列结构的荧光分子在有机激光和有机电致发光方面展现了很好的应用前景。