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高效长寿命有机室温磷光分子的设计及合成

高分子科技

2016-10-25

导读：中国科学院院士、香港科技大学唐本忠教授与中科院化学研究所副研究员彭谦等人合作，仔细分析已报道的室温磷光材料结构与性能的关系，得出这些体系面临一个“两难”的困境。

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传统的室温磷光材料大多是无机化合物。无机材料有很多缺点，如加工性差，品种有限，成本高，脆性大，柔性差，容易受损，不适合大面积制备等。有机金属磷光材料的出现及发展，已部分克服了无机材料的上述缺点，但存在新的问题。由于很多有机金属磷光材料使用稀土金属，这增加了材料的成本以及毒性。同时它们具有反应活性高和稳定性差的缺点。这些问题大大限制了它们的实际应用。因此，具有广泛适用性和分子结构可调控性的纯有机化合物磷光材料将会是一种更好的选择。纯有机分子磷光材料具有良好的加工性，这使得它们更适用于大面积显示器和柔性电子器件的制备。其次，毒性低和生物相容性的优点使他们有希望应用在生物工程和医药技术领域。有机分子的易功能化，使得它们更容易满足设计特定的传感器和光敏开关的要求。所以，研发有机室温磷光材料具有十分重要的学术意义和应用价值。

研发长寿命且高效率的有机室温磷光材料是近几年受到极大关注的研究课题。国内外多个研究组已经采用了不同的策略来获得纯有机磷光体系。过去的研究工作主要集中在调控有机磷光分子的聚集行为以减少它们的非辐射跃迁形式的衰减。尽管付出了巨大的努力，但是仍然缺乏有效的材料设计原则和理论指导，也很难获得具有高发光效率和长寿命的室温磷光材料。

中国科学院院士、香港科技大学唐本忠教授与中科院化学研究所副研究员彭谦等人合作，仔细分析已报道的室温磷光材料结构与性能的关系，得出这些体系面临一个“两难”的困境：具有高发光效率的室温磷光材料通常具有较短的寿命，而具有较长寿命的室温磷光材料通常发光效率较低。这对研发具有长寿命且高效率的有机室温磷光材料提出了巨大的挑战。他们设计并合成了一系列有机室温磷光分子，它们都兼具高效率和长寿命的优异特性。这项研究发表在新一期美国细胞出版社下属的《Chem》杂志上。

该工作主要讨论如何从分子结构层面去设计长寿命及高效率的有机室温磷光分子。通过建立理论模型，分析前人报道的有机磷光分子结构与其性能的关系，提出了研发具有优异性能的纯有机室温磷光的分子结构设计原则（参考图1）。

图1, A，三线态跃迁的分子轨道理论模型。B，RTP分子设计要素。C，不同分子结构的分子旋轨耦合常数(xSO)与分子三线态跃迁时 3(n, p*)所占比例（an）变化量的关系。D，不同分子测得的实验寿命与理论计算的分子第一三线态中3(p, p*)所占比例(bp)的关系。

基于提出的分子结构设计原则，设计并合成了一系列含羰基的芳香化合物。它们均为有机室温磷光分子，所发磷光覆盖从蓝光到橙红光的可见光范围（参考图2），具有高效率和长寿命的特性，其中一个磷光材料发光效率高达34.5%，寿命长达230毫秒。

图2，A, 分子结构及其相应的磷光寿命和效率。B，BDBF分子的磷光衰减曲线及照片。 C，化合物稳态光谱及磷光光谱。D，化合物磷光衰减曲线。

目前，由于缺乏关于结构与性能的系统研究和分子结构设计原则，大部分室温磷光材料处于基础研究阶段。基于此理论模型和分子结构设计原则，他们尝试研发寿命长达数秒和更高效率的有机室温磷光材料。具体研究方面，他们正致力于开发有机室温磷光小分子和高分子，同时将这类磷光材料应用于生物成像，光学记录，防伪系统和长余辉有机发光二极管（OLED）等高科技领域。

文章链接：

http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(16)30112-7

Cell Press发布在美国AAAS的EurekAlert！网站上的新闻公报：

Chemists design organic molecules that glow persistently at room temperature

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-10/cp-cdo100616.php

Sciencedaily 报道：

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/10/161013155251.htm

新华社报道：

http://news.xinhuanet.com/world/2016-10/15/c_1119723349.htm

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http://cen.acs.org/articles/94/i41/Getting-organic-glow.html