大連化物所實現量子點—分子雜化體系的近紅外熱延遲發光

　　【儀表網 儀表研發】近日，大連化物所光電材料動力學研究組 (1121組) 吳凱豐研究員與杜駿副研究員團隊在量子點—有機分子能量傳遞機制與應用的研究中取得新進展，采用低毒性的CuInSe2量子點結合并四苯分子，實現了該類雜化體系在近紅外波段的熱延遲發光。
 

　　研究團隊前期對量子點—有機分子的三線態能量轉移(TET)機制研究表明，通過提升量子點與分子間的波函數交疊，在較低能量轉移驅動力的條件下，仍可獲得較高的TET效率。根據化學熱力學平衡，在這種情況下，從分子三線態回到量子點激子態的吸熱反向傳能(rTET)速率也較快。當rTET速率遠大于三線態本身衰減速率時，大多數三線態都會重新回到量子點激子態輻射出延遲發光(TADPL)，原理上類似于有機分子中的熱活化延遲熒光現象(TADF)。團隊前期也觀測到可見波段的TADPL(ACS Energy Lett.，2021)，并揭示了其熵調控機制(JPCL，2021)。
 

　　近紅外光在生物成像、光纖通訊、國防安全等諸多領域具有重要意義?；诹孔狱c—有機分子雜化體系的近紅外TADPL迄今未見報道，其根本難點在于有機分子的能隙定則：能量越低的激發態，其非輻射衰減速率一般越快。這就要求rTET的速率足夠快，才能與之有效競爭。針對該難題，團隊通過同時優化量子點和三線態受體分子的手段，采用低毒CuInSe2-并四苯的體系，觀測到近紅外波段(約900nm)的TADPL。研究發現，在室溫下TADPL壽命達到60微秒，相比于CuInSe2量子點激子態的壽命提升了3個數量級。得益于量子點本身高達40%的發光效率，TADPL的量子效率可達9%。這些參數可媲美可見光波段的TADPL體系。得益于CuInSe2量子點無重金屬的優勢，該體系相比傳統的鉛基近紅外量子點可能具有更好的應用前景。
 

　　吳凱豐團隊近年來致力于量子點與有機分子間的電荷/能量轉移動力學研究：揭示了量子點與有機分子電荷轉移中的累積電荷效應(JACS，2018；JACS，2018)，并在單電荷轉移體系中觀測到Marcus反轉區間(Nat. Commun.，2021)；揭示了量子點尺寸和分子構型對三線態傳能的影響及其物理機制(JACS，2019；Angew，2020)；建立了電荷轉移介導三線態傳能的各類新機制(Nat. Commun.，2020；JACS，2020；Nat. Commun.，2021)，并闡明了電子自旋在其中起到的關鍵角色(JACS，2020；Chem，2022)；面向實際應用開發了低毒性的CuInS2、InP和ZnSe等量子點作為各波段的三線態敏化劑(JACS，2019；JACS，2020；ACS Energy Lett.，2022)；探索了這些電荷/能量轉移機制在光催化合成中的新型應用(Chem，2021；Angew，2022；Angew，2022)。
 

　　上述最新工作以“Thermally Activated Delayed Near-Infrared Photoluminescence from Functionalized Lead-Free Nanocrystals”為題，發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上，并被選為VIP(Very Important Paper)文章。該工作的第一作者是我所1121組博士后何山。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等項目的資助。(文/圖 何山、杜駿)