Small Science :新型有机近红外发光材料的研究进展

有机近红外发光材料不仅具有近红外光固有的强穿透能力和低光毒性等优势,还秉承了有机半导体可设计的分子结构、优良可调的物理/化学性能以及低成本的大面积制备等特性,在光通信、夜视、监控和生物医学等基础研究和实际应用领域中引起了广泛的科学兴趣。然而,本征的能隙定律给有机近红外发光材料同时获得更长发射波长和更高发光效率提出了巨大挑战。因此,通过理性的分子设计和晶体工程,深入研究和探索新型有机近红外材料具有非常迫切的需求。

近日,苏州大学廖良生教授、王雪东教授团队在Small Science上全面地概述了基于杂化局域-电荷转移激发态(HLCT)材料,热激活延迟荧光(TADF)材料,电荷转移(CT)共晶,中性π-共轭自由基材料和激发态分子内质子转移(ESIPT)活性材料等五类新型有机近红外发光材料的最新研究进展,并总结了它们的发光机理和设计思路。苏州大学卓明鹏博士为本文第一作者。

具有强CT相互作用的极性供体-受体(D-A)结构为缩小带隙实现近红外发射提供了一种有前途且可操作的策略。然而,有机半导体最高占据分子轨道 (HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的空间分离通常会产生电子跃迁禁阻的CT 态,从而导致荧光猝灭。通过在CT 态中引入局部激发(LE)态,形成的HLCT激发态展现出很大的跃迁偶极矩,以及电子和空穴部分之间相当大的轨道重叠,非常有利于实现高效的近红外发射。通过合理分子设计获得HOMO和 LUMO空间分布的充分分离,TADF发光材料可以通过从三重态T1到单重态S1过程的反向系统间交叉(RISC), 同时收获S1和T1激子,证明了在提高荧光发射性能的巨大潜力。此外,可以通过控制有机CT共晶的分子堆积模式和凝聚态结构来定制其独特的物理/化学性质,这为有效的近红外发射提供了一种有前景的方法。值得注意的是,通过ESIPT过程可以形成烯醇式和酮式的两种互变异构体,实现发射波长红移,是获得近红外发射的一种有前途的替代策略。有机自由基分子由于形成了自旋允许双峰的不寻常电子结构,为近红外发射应用提供了极具潜力的机会。对所有这些新型有机近红外发光材料进行总结非常有必要,这将有助于为科研者有目地通过的分子设计来开发所需的有机近红外发光材料。这篇展望旨在重点介绍HLCT 化合物、TADF 材料、CT 共晶体、中性 π 自由基和 ESIPT 活性材料等新型有机近红外发光材料在精细分子设计方面的重要进展,主要集中在分子设计机制和相应的结构-发射特征上,并为设计合成新型高效近红外发光材料提供了思路和借鉴。

论文信息:

Recent Progress of Novel Organic Near-Infrared-Emitting Materials

Ming-Peng Zhuo, Xue-Dong Wang*, Liang-Sheng Liao*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200029