重庆理工大学杨朝龙教授课题组《JACS》：可大面积制备的柔性长寿命室温磷光材料
纯有机室温磷光材料是近些年快速发展起来的一种在激发光源停止后仍能保持长时间持续发光的材料。因为有机室温磷光分子易修饰、发射波长范围广、以及三重态能级可调控等特点，在多色发射、信息传感、生物成像等方面有巨大的应用前景。但是，由于磷光材料本身的跃迁发射机制，大多数有机室温磷光材料的磷光寿命和余辉持续时间较短 （图一）。同时，由于使用晶体工程实现的室温磷光材料很难大面积地进行应用，以及在复杂环境条件下应用受限。因此，开发寿命长、亮度高、且可大面积制备的温磷光材料极其重要。
图一 (a) 长寿命室温磷光材料的发展趋势；(b) 实现聚合物基长寿命室温磷光发射的策略；(c) 该工作中长寿命室温磷光的辐射跃迁机制。
针对目前室温磷光材料存在的以上问题，杨朝龙教授课题组与南洋理工大学赵彦利教授课题组合作，通过对磷光分子的筛选和掺杂体系的设计，并结合抑制磷光体三重态激子的非辐射跃迁策略，开发了3,6-二苯基(9H)咔唑（DPCz）等一系列有机室温磷光掺杂体系。如图二所示，在室温条件下，停止激发后的DPCz薄膜材料不仅其磷光寿命高达2044.86 ms，余辉时间长达20 s，7H-二苯并[c,g]咔唑（DBCz）薄膜的余辉亮度高达158.4 mcd m2，在日光条件下清晰可辩，并且这一系列薄膜具备透明、柔性、可大面积制备的特性。
图二 DPCz 掺杂薄膜的室温磷光发光性能。
除了形成大量的氢键作用大幅度抑制聚合物基质中磷光体的非辐射跃迁之外。研究结果表明，对于类似3,6-二苯基（9H）咔唑这种近似平面型的磷光分子，在与含有大量羟基的聚合物基质（PVA）共掺杂之后，磷光小分子会与PVA分子链通过共组装形成越来越多且紧密的聚集体（图三），从而使得掺杂体系单重态（S1）与三重态（T1）之间的能级差最小化，最小化的能级差允许更多的单重态激子窜越到三重态，从而提升体系的室温磷光性能。
图三 不同掺杂浓度体系的共组装过程。
该系列的长寿命室温磷光薄膜不仅具有非常长的磷光寿命和余辉时间，并且同时具备高亮度、透明、柔性、可大面积制备的特点。如图四所示，这种优异的发光薄膜在拉伸150%的情况下，其荧光和磷光性能基本保持不变，有望在实际中进行应用。我们利用普通的紫外发光二极管，通过在其表面涂覆的无定发光材料后制备了一系列具有优异性能的发光器件。另外，这种薄膜通过各种拉伸、折叠、滚压、卷曲等方法，制备了系列大面积、余辉寿命长、且透明的三维实体，具有潜在的应用价值。
图四 DPCz掺杂薄膜拉伸后的发光性能及应用。
以上相关成果以题为“Large-Area, Flexible, Transparent, and Long-Lived Polymer-Based Phosphorescence Films”发表在《Journal of the American Chemical Society》上。论文的第一作者为重庆理工大学材料科学与工程学院2018级硕士研究生张永锋，通讯作者为杨朝龙教授，共同通讯作者为南洋理工大学化学与生物化学系赵彦利教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、重庆市科技局、重庆市教委、新加坡学术研究基金等项目的大力支持。
论文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05213
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