Advanced Materials:手性液晶中能量转移增强的上转换圆偏振发光

上转换圆偏振发光(UC-CPL)这一概念首次提出至今,受到了广泛的关注,基于不同发光机制的UC-CPL已经被一一报道。然而目前所得到的发光不对称因子(glum)普遍较低,所以寻找一种能够提升UC-CPL的发光不对称因子,并兼具良好发光效率的方法,已经成为圆偏振发光材料领域一个关键问题。在多种手性材料中,手性向列相液晶(N*LC)是一种常用的圆偏振光控制材料,其独特的圆二色性能够通过光子禁带选择性地反射同手性的圆偏振光,因此大量的报道都是借助于手性向列相液晶作为主体材料,通过掺杂不同的发光材料来构筑圆偏振发光液晶材料。但是由于光子禁带的强反射性能,这种方式得到的圆偏振光的发射强度会被严重抑制。因此,对于具有圆偏振发光性能的N*LC来说,如何同时获得兼具高glum值和高发光效率是非常关键的问题。

针对以上问题,中科院国家纳米科学中心的段鹏飞研究员团队将上转换纳米粒子(UCNPs)和钙钛矿纳米晶(CsPbBr3)分散到手性向列相液晶中,通过UCNPs与CsPbBr3纳米晶粒子间发生的能量转移过程,能够实现发光不对称因子高达1.1的上转换圆偏振发光。相关结果发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202000820)上。

该团队首先研究了光子禁带对发光强度的影响。他们将CsPbBr3纳米晶掺入到手性向列相液晶中,通过调整液晶的光子禁带位置使得CsPbBr3纳米晶的发光峰分别位于光子禁带的不同位置。发射光谱表明当CsPbBr3纳米晶的发光峰位于光子禁带两侧的边缘时,其发光强度会被明显增强且增幅一致。当CsPbBr3纳米晶的发光与光子禁带中心部分重合时,其发光强度会被明显抑制,但此时能够获得最强的圆偏振发光。随后,将CsPbBr3纳米晶和UCNPs同时掺入至N*LC中,并将两种纳米材料的发光位置分别置于光子禁带的中心和边缘。当用980 nm光激发时,能够同时观察到CsPbBr3纳米晶和UCNPs的上转换圆偏振发光。其中UCNPs的glum值为0.4,而位于光子禁带中心的CsPbBr3纳米晶具有更强的上转换圆偏振发光信号,其最大glum值为1.1。此外,该团队还证明了电场和外力能够通过调节液晶分子的排布,进而对UCNPs和CsPbBr3纳米晶在手性向列相液晶中发生的能量转移过程进行调控。该工作不仅提供了一种获得UC-CPL的新策略,而且首次展示了通过调节光子禁带实现兼具高glum值和高发光效率的UC-CPL发光材料。