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  純有機(jī)室溫磷光材料是近些年快速發(fā)展起來(lái)的一種在激發(fā)光源停止后仍能保持長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)發(fā)光的材料。因?yàn)橛袡C(jī)室溫磷光分子易修飾、發(fā)射波長(zhǎng)范圍廣、以及三重態(tài)能級(jí)可調(diào)控等特點(diǎn)，在多色發(fā)射、信息傳感、生物成像等方面有巨大的應(yīng)用前景。但是，由于磷光材料本身的躍遷發(fā)射機(jī)制，大多數(shù)有機(jī)室溫磷光材料的磷光壽命和余輝持續(xù)時(shí)間較短 （圖一）。同時(shí)，由于使用晶體工程實(shí)現(xiàn)的室溫磷光材料很難大面積地進(jìn)行應(yīng)用，以及在復(fù)雜環(huán)境條件下應(yīng)用受限。因此，開(kāi)發(fā)壽命長(zhǎng)、亮度高、且可大面積制備的溫磷光材料極其重要。

圖一  (a) 長(zhǎng)壽命室溫磷光材料的發(fā)展趨勢(shì)；(b) 實(shí)現(xiàn)聚合物基長(zhǎng)壽命室溫磷光發(fā)射的策略；(c) 該工作中長(zhǎng)壽命室溫磷光的輻射躍遷機(jī)制。

  針對(duì)目前室溫磷光材料存在的以上問(wèn)題，楊朝龍教授課題組與南洋理工大學(xué)趙彥利教授課題組合作，通過(guò)對(duì)磷光分子的篩選和摻雜體系的設(shè)計(jì)，并結(jié)合抑制磷光體三重態(tài)激子的非輻射躍遷策略，開(kāi)發(fā)了3,6-二苯基(9H)咔唑（DPCz）等一系列有機(jī)室溫磷光摻雜體系。如圖二所示，在室溫條件下，停止激發(fā)后的DPCz薄膜材料不僅其磷光壽命高達(dá)2044.86 ms，余輝時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20 s，7H-二苯并[c,g]咔唑（DBCz）薄膜的余輝亮度高達(dá)158.4 mcd m²，在日光條件下清晰可辯，并且這一系列薄膜具備透明、柔性、可大面積制備的特性。

圖二  DPCz 摻雜薄膜的室溫磷光發(fā)光性能。

  除了形成大量的氫鍵作用大幅度抑制聚合物基質(zhì)中磷光體的非輻射躍遷之外。研究結(jié)果表明，對(duì)于類(lèi)似3,6-二苯基（9H）咔唑這種近似平面型的磷光分子，在與含有大量羥基的聚合物基質(zhì)（PVA）共摻雜之后，磷光小分子會(huì)與PVA分子鏈通過(guò)共組裝形成越來(lái)越多且緊密的聚集體（圖三），從而使得摻雜體系單重態(tài)（S₁）與三重態(tài)（T₁）之間的能級(jí)差最小化，最小化的能級(jí)差允許更多的單重態(tài)激子竄越到三重態(tài)，從而提升體系的室溫磷光性能。

圖三 不同摻雜濃度體系的共組裝過(guò)程。

  該系列的長(zhǎng)壽命室溫磷光薄膜不僅具有非常長(zhǎng)的磷光壽命和余輝時(shí)間，并且同時(shí)具備高亮度、透明、柔性、可大面積制備的特點(diǎn)。如圖四所示，這種優(yōu)異的發(fā)光薄膜在拉伸150%的情況下，其熒光和磷光性能基本保持不變，有望在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用。我們利用普通的紫外發(fā)光二極管，通過(guò)在其表面涂覆的無(wú)定發(fā)光材料后制備了一系列具有優(yōu)異性能的發(fā)光器件。另外，這種薄膜通過(guò)各種拉伸、折疊、滾壓、卷曲等方法，制備了系列大面積、余輝壽命長(zhǎng)、且透明的三維實(shí)體，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖四 DPCz摻雜薄膜拉伸后的發(fā)光性能及應(yīng)用。

  以上相關(guān)成果以題為“Large-Area, Flexible, Transparent, and Long-Lived Polymer-Based Phosphorescence Films”發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》上。論文的第一作者為重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2018級(jí)碩士研究生張永鋒，通訊作者為楊朝龍教授，共同通訊作者為南洋理工大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系趙彥利教授。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、重慶市科技局、重慶市教委、新加坡學(xué)術(shù)研究基金等項(xiàng)目的大力支持。

  論文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05213