课题组在有机室温磷光材料理论设计方面取得重要进展

       由于纯有机分子的旋轨耦合比较弱,长期以来有机材料室温下没有磷光。最近,一系列实验发现在固相下纯有机化合物也会表现出高效室温磷光,但其发光效率和寿命不可兼得。在帅志刚和彭谦的指导下,博士后马会利等人提出了一对分子描述符来分别表征磷光效率和寿命。由羰基和π-共轭片段组成的典型RTP体系,其激发态可以视为n→π*跃迁和π→π*跃迁两组分的组合。他们基于光物理原理,特别是El-Sayed规则,引入了一对分子描述符 (γ, β), 其数值的大小与固相下单/三线激发态的(n, π*)和(π, π*)跃迁成分有关。结合量子力学/分子力学 (QM/MM) 方法,他们揭示了分子描述符 (γ, β) 与磷光效率和寿命以及旋轨耦合之间的关系。他们提出,大的γ和β值有利于有机材料中强的、长寿命的RTP。该研究以题为"Efficient and Long-lived Room Temperature Organic Phosphorescence: Theoretical Descriptors for Molecular Designs"发表于Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 1010-1015 (doi)

       第一作者马会利现在是南京工业大学先进材料研究院的副研究员。该研究成果是基于前期马会利等提出的固相有机室温磷光的基本过程(Ma HL, Shi W, Ren JJ, Li WQ, Peng Q*, Shuai ZG*, "Electrostatic Interaction-Induced Room-Temperature Phosphorescence in Pure Organic Molecules from QM/MM Calculations". Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 2893)和一系列与实验合作工作的进一步提升,如基于理论分子设计,实验上获得了高效长余辉磷光材料,见Zhao WJ, He ZK, Lam JWY, Peng Q*, Ma HL, Shuai ZG, Bai GX, Tang BZ*, "Rational Molecular Design for Achieving Persistent and Efficient Pure Organic Room-Temperature Phosphorescence",Chem, 2016, 1, 592. 该工作得到C&En News、新华社等众多媒体报道,这些报道均指出是基于理论计算设计,实验上获得了效率高达36%,寿命长达0.23秒的纯有机分子。关于有机室温磷光的理论计算研究还在近期的若干实验工作中得到应用,合作发表的论文有:

  • Zhao WJ, He ZK*, Peng Q*, Lam JWY, Ma HL, Qiu ZJ, Chen YC, Zhao Z, Shuai ZG, Tang BZ*, "Highly sensitive switching of solid-state luminescence by controlling intersystem crossing", Nature Commun., 2018, 9, 3044;
  • Wang, JG, Xu XG*, Ma HL, Peng Q, Huang XB, Zheng XY, Sung SHP, Shan GG, Lam JWY, Shuai ZG, Tang BZ*, "A facile strategy for realizing room temperature phosphorescence and single molecule white light emission", Nature Commun., 2018, 9, 2963;
  • He ZK, Zhao WJ, Lam JWY, Peng Q*, Ma HL, Liang GD, Shuai ZG, Tang BZ*, "White light emission from a single organic molecule with dual phosphorescence at room temperature", Nature Commun., 2017, 8, 416.

       这一系列工作得到国家自然科学基金委员会科学中心项目"分子聚集发光"(编号21788102)和科技部国家重点研发计划"有机纳米光子学材料的可控组装与器件集成"(编号2017YFA0204501)的资助。