image: 分子间电荷转移聚集体抑制非绝热耦合实现高效近红外有机发光 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近红外（NIR）光的有效利用在光疗、生物成像、医学诊断、光遗传和光通讯等应用中起着至关重要的作用。近年来，有机NIR材料由于其来源丰富、易于分子剪裁，具有本征柔性等特点获得了快速发展。然而，受限于能隙规则，随着发光波长红移，有机分子激发态的非辐射跃迁速率快速上升，导致有机材料在 NIR 区普遍存在发光效率低的难题。
2019年，清华大学乔娟和中国科学院化学研究所彭谦合作，发现通过具有强分子间电荷转移J-聚集体的生成可以大幅稳定激发态能量，诱导并实现高效近红外热活化延迟荧光。特别是分子间强的电荷转移态与 J聚集激子态的协同耦合，在实现发光从可见到近红外显著红移的同时，非辐射跃迁速率在一定波长区间并未按照能隙规则快速上升，反而呈现下降的趋势（Adv. Mater. 2019, 31, 1808242）。
为了揭示这种反常现象背后的本质原因，最近，清华大学乔娟和任佳骏等人重新回顾了能隙规则的基础理论，从原理上明确非辐射跃迁速率同时受电子振动耦合项和电子非绝热耦合项两个因素的影响。而目前报道中对有机分子通常假定电子非绝热耦合项为常数，采取降低电子振动耦合项来抑制非辐射跃迁。
在本工作中，作者们提出降低电子非绝热耦合项是抑制非辐射跃迁的另一有效策略。实验和理论研究表明，分子间电荷转移聚集体（CTA）的形成一方面可以减小激发态的电子和空穴重叠来降低电子非绝热耦合，从而抑制非辐射跃迁获得高效NIR光致发光，另一方面可以大幅稳定激发态能量，诱导热活化延迟荧光的产生并实现高效NIR电致发光。
基于CTA策略设计的dpTPAAP分子在固态薄膜中可以实现从621 nm到802 nm的发光波长的峰值调控，并且在波长大于700 nm的近红外区域实现高达82%的固态发光效率。相比于具有相似分子骨架与发光波长的分子内电荷转移分子dpTPAAZ， dpTPAAP聚集体的非辐射跃迁速率减小了3.8倍，发光效率提高了6.5倍。基于CTA材料制备的OLED器件在675 nm，710 nm，730 nm和752 nm分别依次实现了高达24.8%，7.0%，13.0%和6.8%最大外量子效率。该工作对分子聚集体的光物理行为和基础理论研究进行了有益探索， 同时为减轻能隙规则的限制实现高效有机近红外发光材料的设计开发提供了新策略。
该研究结果以“Intermolecular charge-transfer aggregates enable high-efficiency near-infrared emissions by nonadiabatic coupling suppression” 为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。
Xue J, Xu J, Ren J, Liang Q, Ou Q, Wang R, Shuai Z, Qiao J. Sci. China Chem., 2021, Doi: 10.1007/s11426-021-1096-8
Journal
Science China Chemistry