LIght| 基于有机微纳结构的圆偏振发光

撰稿 | 邓勇靖

圆偏振发光(CPL)是指手性发光体受激发射出左旋或右旋圆偏振光的现象。具有CPL性质的材料在三维显示、光学存储、化学传感及生物检测等领域具有广阔的应用前景，成为近年来发光材料领域的研究热点。在各种手性发光体中，有机微纳结构由于其高的发光量子效率和放大的发光不对称因子受到了越来越多的关注。

圆偏振光由于其良好的偏振态以及益于人眼健康，在未来显示和光子技术等领域具有广阔的应用前景。传统地，圆偏振光是由非偏振光通过起偏器和四分之一玻片转换而来的。在这个过程中，至少50%的能量将会损失。因此，迫切需要开发出能够直接发射圆偏振光的新型发光材料。

图1 产生圆偏振光的两种方法：a）物理方法；b）圆偏振发光

手性是指一个物体不能与其镜像重合的几何特性。具有手性的分子通常表现出独特的光物理特性，如旋光性、圆二色性和圆偏振发光。CPL是指手性发光体发射出具有强度差异的左旋和右旋偏振光，这为直接产生圆偏振光提供了理想的选择。CPL活性材料的构建通常依赖于手性环境和发光中心的结合。有机分子由于其高的发光效率、可调的发射性能以及丰富的手性中心，受到了广泛的关注。然而，基于有机单分子的CPL活性材料的发光不对称因子（g_lum）通常较低。而g_lum值是衡量CPL材料性能的一项重要指标。|g_lum|值越大表明左旋和右旋偏振光的不对称性越大，这意味着更低的能量损失。

相比于单分子状态，具有微纳结构的有机组装体由于增强的激子耦合，通常表现出放大的g_lum值，这为同时实现高的发光效率和发光不对称因子提供了可能。近年来，基于有机微纳结构的CPL活性材料取得了巨大进展，已经实现了超过1.4的|g_lum|，接近其理论最大值2。因此，迫切需要系统地讨论和总结这一新兴快速发展领域的最新研究进展，总结分子设计、组装结构和CPL性能之间的关系，并指出CPL活性材料未来的发展方向。

表1 各种构建CPL活性有机微纳结构方法的优缺点对比

有机微纳结构主要是通过自组装的方式形成的，这一过程依赖于分子间的非共价相互作用，如氢键、配位键、静电作用和主客体相互作用等。这种非共价相互作用通常是动态、可逆的，容易受外界刺激的影响。因此，各种各样的外界刺激（溶剂、pH值、金属离子、机械力和温度等）为调控有机微纳结构的CPL性能提供了便捷的途径。

图2 利用外界刺激调控CPL性能

基于有机微纳结构的CPL活性材料由于其高的发光量子效率和高的|g_lum|值，在发光显示、信息加密与处理及化学与生物传感等领域显示出广阔的应用前景。

在有机发光二极管（OLED）中，通常会使用偏振片来降低环境光的反射，从而获得较高的图像对比度。因此，由OLED发出的光最多只有一半能透过偏振片，造成极大的能量和亮度损失。而基于CPL材料的圆偏振有机发光二极管（CP-OLED）可以发出与偏振片具有同手性的圆偏振光，降低了透过偏振片时的亮度损失，提高了能量利用率。

在光学信息处理领域，与传统的光响应材料相比，具有CPL活性的材料可以同时利用光信号和手性信号，能够实现更高的存储密度和安全性。同时，由于有机微纳结构的动态可逆特性，有望实现可擦写信息加密和智能光开关。

在化学与生物传感领域，基于CPL活性有机微纳结构的传感技术可以有效消除背景荧光和非偏振光的干扰，实现更高的灵敏度和分辨率。

图3 CPL活性有机微纳结构的应用

作为新兴快速发展的领域，开发基于有机微纳结构的高性能CPL活性材料仍然面临着诸多挑战。首先，自组装过程是动态的，对有机微纳结构的形成及其手性放大机理的研究需要动态原位表征技术，尤其是时间依赖的光谱和成像技术。其次，当前的研究主要集中在溶液体系中，迫切需要实现薄膜状态下的CPL以满足器件集成的需要。层层自组装技术能够在分子水平上控制薄膜的组成和结构，有望实现薄膜状态下的CPL。最后，自组装过程通常伴随着聚集荧光淬灭，导致低的量子效率。自组装过程中聚集诱导发光分子的引入为同时实现高的量子效率和|g_lum|值提供了可行性。

可以预见的是，在微纳尺度上对CPL的研究必将加快CPL材料的开发及其应用的发展。

该综述文章以“Circularly polarized luminescence from organic micro-/nano-structures”为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文第一作者为南京邮电大学博士生邓勇靖，通讯作者为赵强教授、黄维院士。