Advanced Optical Materials:高效率纯有机单分子白光——调节烷氧取代基实现共增强的荧光磷光双发射

光,亦神秘梦幻,亦触手可及,各种各样的光色亦编织着我们的绚丽多彩的生活,光的存在让我们看尽世间繁华。不管是美妙绝伦、色彩丰富的显示画面,还是黑暗里茫茫大海上的为我们指引方向的灯塔,白光都与我们的生活息息相关。从最初对白光的认识,到实验模拟合成白光,多种理论被提出甚至被应用在显示和照明设备上。其中,多组分白光被应用得比较早,但是其有相分离、颜色老化、不易加工、稳定性低等缺点,而单分子白光的出现打破了这些局限,吸引了研究者们的兴趣。

利用荧光-磷光双发射是实现单分子白光的有效手段。这种方法的优势是利用一种有机材料就可以实现白光发射。然而,由于有机分子的自旋轨道耦合较弱,磷光的发射很容易受到影响可能会造成荧光和磷光的发射比例失衡,如何去平衡并且增强荧光-磷光双发射实现高效率的单分子白光是一个极具挑战的问题。

吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室杨兵教授课题组利用常见的烷氧链作为取代基设计并合成了一系列2号位取代的噻吨酮化合物,实现了高效率的单分子白光,并通过理论和实验相结合的方法对其结构与性能之间的关系进行了详细的阐述。不同于母体噻吨酮(TX)(发光效率为1.5%),首先,烷氧基的引入加快了系间窜越(ISC)速率,更有效地促进了单线态激子和三线态激子的平衡分配;第二,由于烷氧基大的空间位阻,巧妙地改变了TX的堆积方式,将TX从原来的沿着长轴堆积变为沿着短轴堆积,聚集方式从原来的H-聚集变为M-聚集(TX-OCH3、TX-OCH2CH3、TX-OCH2CH2CH3)和J-聚集(TX-OCH(CH3)2),从而增强了荧光和磷光的辐射跃迁速率;第三,烷氧基的存在使分子间存在多重氢键相互作用,作者定量地研究了氢键的比例,发现随着直链烷氧基增长,氢键比例变小更容易导致分子的非辐射失活,而甲氧基和异丙氧基取代TX的晶体中氢键抑制非辐射的能力最好。综合以上,平衡的单三线态激子分配、聚集增强的辐射跃迁速率和分子间氢键抑制的非辐射跃迁速率三点完美结合,将TX的单分子白光效率从1.5%提高到21.4%(TX-OCH3)和45.0%(TX-OCH(CH3)2)。

研究者相信,此项研究将会为设计并实现高效率单分子白光提供新的策略和思路。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201901995)上。