Advanced Functional Materials:基于单苯环结构的高效室温磷光和光激活型室温磷光材料

近年来,室温磷光材料因其在光电、信息处理和生物成像等诸多方面巨大的应用潜力而得到广泛的关注。和传统的无机或金属有机配位磷光材料相比,纯有机磷光材料具有低毒性,易于合成、修饰,原料来源广泛等优点。然而目前纯有机室温磷光材料的发光母体,尤其是高效发光的母体种类依旧不多。如何拓展纯有机室温磷光分子库以及调控室温磷光性能、降低材料合成成本、提高分子材料构建过程的经济性,仍然是面临的重要挑战。

华东理工大学化学与分子工程学院马骧课题组利用硫代色满酮衍生物,成功构建高效发光的无定形态室温磷光材料(ФP = 44.0%)。利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)弱的氧气隔绝能力构建光激活型室温磷光材料,并将其应用在防伪标签等领域。

硫代色满酮具有羰基结构单元,能够通过n→π*跃迁弥补系间窜越过程中角动量的变化以促进磷光发射。同时,由于能隙定律(energy gap law),分子内电荷转移(ICT)也能在一定程度上促进系间窜越过程。利用聚乙烯醇(PVA)丰富的氢键网络和较为刚性的环境抑制分子的非辐射跃迁并隔绝氧气后,硫代色满酮衍生物表现出强烈的磷光发射(ФP = 44.0%)。该工作对新型磷光团的设计提供了一种新的可能性。

图1. 基于硫代色满酮结构的新型高效发光磷光团的化学结构式和简化的雅布朗斯基能级图

此外,利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)弱的氧气隔绝能力和硫代色满酮强磷光发射的特性,能够构建光激活型室温磷光材料。自然状态下,硫代色满酮的磷光发射会被聚甲基丙烯酸甲酯中微量的氧气猝灭。在紫外光持续的照射下,聚合物基质中的氧气逐渐被消耗,磷光逐渐增强。撤去紫外光后,环境中的氧气再次缓慢渗透进聚合物基质中,从而导致磷光的猝灭。这一光激活过程能够多次重复实现而无明显的对比度下降。该材料在防伪标签等方面表现出较高的应用前景。

图2. a) 聚合物材料TDI@PMMA的光激活现象; b) 聚合物材料HTO@PVA的光致发光光谱和发光量子产率;c) 聚合物材料FTO@PMMA制作的防伪标签

相关论文发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202010659) 上,文章的通讯作者为华东理工大学马骧教授,第一作者为博士生马良伟,该研究工作得到了田禾院士的悉心指导。研究成果得到了国家自然科学基金委基础科学中心项目、国际合作重点项目、优青项目和上海市优秀学术带头人等项目资金的支持。