近日，我院解荣军教授课题组在有机长余辉发光材料研究中取得重要进展，相关成果以“Charge trapping for controllable persistent luminescence in organics”为题发表于《自然·光子学》（Nature Photonics, DOI: 10.1038/s41566-024-01396-0）。
长余辉发光是一种独特的光学现象，它在激发结束后仍能维持数秒至数小时。长余辉发光在夜间应急照明、生物荧光成像、光学信息存储等领域具有广阔的应用前景。长余辉发光现象一般被发现于无机发光材料中，例如人们所熟知的“夜明珠”和应急指示牌中的材料均为无机发光材料。这种独特的光学行为得益于无机发光材料中存在的能量陷阱，其可对处于激发态的载流子进行俘获和释放。通过控制陷阱的类型和深度，可相应调控长余辉发光的光子释放过程。近年来，长余辉发光概念也被应用于有机发光材料。尽管有机发光材料在生物相容性、分子结构可设计性等方面相较于无机发光材料具有优势；然而，现有有机发光材料在余辉性能方面无法和无机材料媲美，其根本原因是对相关发光机理不清楚，这大幅限制了有机长寿命发光材料的应用。
针对上述问题，我院解荣军教授、庄逸熙副教授团队联合南京工业大学黄维院士、安众福教授团队基于对无机发光材料的陷阱构筑和调控策略的理解，首次提出并证实了有机材料体系中的陷阱态诱导长余辉发光（Trap-induced persistent luminescence, TIP）。该模型采用类似典型OLEDs能级结构的主客体分子材料体系，通过设计具有不同深度的陷阱捕获并存储激发态载流子，随后在热激励或光激励下逐渐释放载流子并产生光子发射。该研究突破了现有有机长寿命发光的理论框架，揭示了陷阱调控有机材料发光过程的新机制，获得了持续时间超过24小时、室温存储大于7天等优异特性的有机长余辉发光材料，为高性能发光材料的定向设计提供了重要理论基础。
图1：理论模型。a. 无机长余辉发光材料的陷阱态和长余辉发光机制。b. 磷光型OLEDs发光层的电子能级结构。c. 有机主客体型TIP的能级图和发光机制。
所构建的TIP体系的典型例子采用具有优异电子传输特性的主体TPBi和高内量子效率的TADF客体分子TN。该主客体分子组合受光照之后，橙色长余辉发光峰位于~585 nm, 余辉光谱于激发后9小时仍可测得。室温下，通过光电倍增管测得衰减时长超24小时；通过亮度计校准，其亮度衰减至人眼分辨极限（0.0032 mcd m⁻²）的时长可达9.4小时。区别于传统的室温磷光或热激活延迟荧光材料，陷阱态的引入赋予了材料本身以优异的光子能量存储特性。陷阱中的电子受热激励或光激励后，可加速释放并返回发光中心复合发光。在短暂紫外激发后，陷阱中的电子可在室温下存储超1星期、在77K低温下存储超1个月。
图2：1wt% TN@TPBi光物理特性。a. TIP典例：TN（客体）和TPBi（主体）。b. 荧光、磷光和长余辉发光光谱。c. 衰减曲线。d. 热激励衰减曲线。e. 光激励衰减曲线。f. 室温存储热释光曲线。g. 室温和低温存储热释光照片。
该研究得到国家自然科学基金促进海峡两岸科技合作联合基金项目U2005212、国家自然科学基金62288102、51872247、52172156、国家重点研发计划项目2020YFA0709900、深圳市自然科学基金JCYJ20200109144614514等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01396-0
