调控室温磷光特性:卤素替代与静水压力的双重策略

【字体: 时间:2026年02月13日 来源:Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 4.1

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  压力调谐室温磷光材料中卤素取代与高压协同效应的系统研究,通过理论计算与结构分析揭示分子间卤素键增强与几何畸变对激子动力学的影响机制,阐明自旋轨道耦合与分子堆积的动态平衡关系,最终确定MPh-Br为最优磷光体。

  
赵家强|徐圆圆
潍坊大学物理与电子信息学院,中国潍坊261061

摘要

压力可调的室温磷光(RTP)材料在先进的光电应用中具有巨大潜力。本研究从理论角度系统探讨了卤素取代和静水压力(0–2.5 GPa)对三种模型分子(MPh、MPh-Cl和MPh-Br)RTP性能的协同效应。通过综合结构分析、电子计算和激发态动力学模拟,我们发现压力逐渐增强了分子间的卤素键(C-X···O,X = Cl, Br),这限制了分子运动并提高了固态刚性。同时,压力引起的S1态的几何畸变扩大了S1-T1能隙,从而抑制了反向系间跃迁(RISC)过程。值得注意的是,自旋轨道耦合(SOC)常数和系间跃迁(ISC)速率表现出非单调的压力依赖性:在0–0.5 GPa范围内由于平面性改善而减小,而在0.5–2.5 GPa范围内由于分子堆积更紧密和n-π*相互作用增强而显著增加。在这三种分子中,MPh-Br具有最高的SOC值、最快的ISC速率和最有效的辐射衰减速率,从而表现出优异的RTP性能。这些结果为化学取代和外部压力的相互作用提供了基本见解,为设计响应刺激的磷光材料提供了明确的设计原则。

引言

纯有机室温磷光(RTP)材料近年来因其在防伪、生物成像、信息加密和传感方面的应用前景而受到广泛关注,这得益于它们低毒性、良好的生物相容性和易于加工的优点。[1],[2],[3],[4],[5] 尽管如此,其实际应用常常受到发光强度弱和磷光寿命短的限制。这些限制主要源于有机分子中固有的自旋轨道耦合(SOC)较弱,这阻碍了系间跃迁(ISC)过程,以及激发三重态(T1)容易通过分子振动和氧淬灭发生非辐射衰减。[6],[7],[8],[9] 为了解决这些问题,人们开发了多种策略。一种基本方法是通过晶体工程构建一个刚性的微环境,从而抑制非辐射衰减途径。[10],[11] 在分子结构中引入重原子(例如Br、I、Se)是一种被证明可以增强SOC并促进ISC的方法。[12] 另一种方法是战略性分子设计,例如使用客体-主体掺杂系统或利用特定的分子间相互作用(例如氢键、π-π堆叠),即使在没有重原子的系统中也能有效稳定三重态激子并实现高效的RTP。[13],[14],[15] 最近的综述全面讨论了通过结晶创造刚性环境、控制分子堆积以及利用超分子组装来提高RTP性能的关键,这些方法通过限制非辐射跃迁和增强ISC过程来实现。[16],[17],[18],[19] 在这些基础上,利用高度定向和可调的分子间相互作用来精确调节固态堆积和光物理性质已成为一种强大的设计原则。其中,卤素键(XB)引起了越来越多的兴趣。[20],[21] 作为一种强定向的非共价相互作用,XB不仅有助于构建密集有序的分子堆积——有效限制分子运动——而且当涉及较重的卤素原子(Cl、Br、I)时,还可以通过重原子效应内在地增强SOC,从而促进ISC过程。[22],[23],[24],[25] 因此,XB已被成功用于显著提高纯有机RTP材料的效率和寿命。[26],[27],[28] 然而,迄今为止的大多数研究都集中在常压下的静态结构-性能关系上。对外部刺激(特别是静水压力)如何与内在的卤素取代协同作用以调控RTP性能的动态和机制理解仍然不足,这主要是由于将高压装置与时间分辨光谱技术结合的复杂性所致。[29],[30],[31],[32],[33] 静水压力是一个强大且干净的热力学变量,它可以连续调节分子间距离、堆积模式和非共价相互作用的强度,而不改变化学组成。[34],[35] 它是探测激发态动力学和揭示发光材料潜在机制的理想工具。[36] 对于基于XB的RTP系统,压力预计会进一步增强XB相互作用,提高基质刚性,同时改变前沿轨道能量和电子耦合,这些因素共同决定了ISC、反向ISC(RISC)和辐射衰减的动力学。[37] 因此,系统研究分子结构和激发态动力学的压力依赖性演变对于揭示内部化学设计(卤素取代)和外部物理刺激(压力)之间的协同效应至关重要。这类研究对于合理设计响应刺激的材料至关重要,但目前还较为罕见。
受此启发,我们对在静水压力下的一个模型RTP系统进行了全面研究。我们选择了纯有机发射体4-苯基吗啉(MPh)及其氯化和溴化衍生物(MPh-Cl和MPh-Br)[38],系统研究了它们在从常压到2.5 GPa的压力范围内的结构演变、电子结构变化和激发态动力学。通过结合高压单晶X射线衍射、光谱分析和理论计算,我们阐明了卤素取代和施加的压力如何共同作用:(i)增强分子间的XB并提高基质刚性;(ii)调节S1-T1能隙以影响RISC过程;(iii)在分子平面性和堆积增强的n-π*相互作用之间的平衡下,导致SOC和ISC速率的非单调压力响应。我们的发现表明,溴化衍生物(MPh-Br)由于重原子效应和压力增强的XB之间的最佳协同作用,表现出最明显的压力增强RTP效果。这项工作为分子结构与外部刺激之间的动态相互作用提供了基本见解,为设计下一代响应压力的有机磷光材料提供了合理的蓝图,适用于先进的光电和信息安全应用。

部分摘录

理论方法和计算细节

在这项研究中,使用了一种结合理论的方法系统研究了三种结晶分子的光物理性质和激发态衰减动力学。在量子力学/分子力学(QM/MM)框架内,采用了双层ONIOM(我们自己的N层集成分子轨道和分子力学)模型来准确描述结晶环境。激发态非辐射衰减速率是通过热振动来评估的

几何变化和分子间相互作用

为了阐明压力调节光物理性质的机制基础,我们系统研究了在静水压力下结晶晶格内分子几何结构和分子间相互作用的演变。如图2(a)所示,随着施加的压力从常压增加到2.5 GPa,MPh-Cl和MPh-Br中的卤素键距离(例如C-Cl···O和C-Br···O)显著且单调地减小

结论

总之,这项工作系统阐明了内在卤素取代和外在静水压力在调节纯有机RTP晶体的结构和光物理性质方面的协同作用。我们的综合分析表明,这两个因素通过互补机制共同作用来提高RTP性能。
从结构上看,卤素取代引入了强定向的卤素键,从根本上改变了晶体堆积

CRediT作者贡献声明

赵家强:撰写——原始草稿,可视化。徐圆圆:撰写——审稿与编辑,软件使用,实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金(资助编号:6200519912204355)以及山东省自然科学基金(资助编号:ZR2020KF017)的支持。
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