研究前沿：Nat Mater-热激活延迟荧光TADF材料，X射线成像

‍‍X射线探测，在医疗和工业领域中占有重要地位，通常依靠无机闪烁体将X射线转化为可见光子。尽管已经测试了几种量子产率荧光分子作为闪烁体，但其效率通常较低。高能辐射可以电离分子并产生二次电子和离子。结果，产生了高比例的三重态，作为闪烁损失通道。近日，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的杨旸、刘旭等人在Nature Materials上发文，报道发现了 X 射线诱导的三重态激子，可用于通过非常快速的热激活上转换进行发射。基于具有不同发射带的三种热激活延迟荧光分子的闪烁体，其效率显着高于传统的蒽基闪烁体。还展示了具有 16.6 线对 mm - 1 分辨率的 X 射线成像。这些结果突出了有效和迅速收集三重态激子，对有效 X 射线闪烁和辐射检测的重要性。

图 1：有机闪烁体的机理图解和分子结构。

图 2：基于 TADF 的闪烁体的高效 RL 和低自吸收。

图 3：有机闪烁体的性能特征。

图 4：基于 TADF 闪烁体的高分辨率 X 射线成像。

X射线探测和成像在医疗、安防等领域的应用非常普遍，目前的成像方式主要依赖无机材料制成的闪烁体将不可见的X光转化成可见光，比如CsI(TI)、GOS:Tb以及新型的钙钛矿半导体等，最后用成熟的硅基可见光探测技术进行成像。X射线闪烁体虽然历经百余年的发展，仍然难说有一个可以胜任所有应用场合的完美闪烁体，因此近一步拓展可用闪烁体的范围，以期在每种特定应用场合中找到合适的闪烁体具有很大的实际意义。

对于具有能带结构的半导体来说，无论是X射线还是紫外光激发，其生成的激发态的最终归宿是大致相同的，但是对于分子发光体或者一些发光中心非常局域的无机材料（如自陷态激子）而言，X射线的激发过程可能会和紫外可见的激发有巨大的差异。该研究选取了典型的有机分子发光体作为讨论对象，根据偶极子选择律（dipole selection rule），较低能量紫外可见光只会直接激发单线态激子，由于X射线能量很高，因此X射线光子会把相当多的分子电离，产生具有极高动能的电子，它们不断碰撞新的分子，同时把耗散的动能转化成二次、三次、四次…电子，直到这些热电子的能量低到无法电离下一个分子时为止，这时这些电子的能量大约是带隙的2-4倍。

最后对如何利用TADF发光机制设计高效、高速闪烁体的前景做出了展望，由于TADF机制目前多存在于有机分子体系中，其有机属性带来比较明显的缺陷就是X射线吸收截面不高，这个缺点也许可以通过将TADF分子掺杂在高X射线吸收系数的基质中得以解决，另外对于一些本身就要求低原子序数的射线探测领域，比如β和中子探测，也许TADF闪烁体可以得到更快的应用。此外TADF闪烁体中虽然有一个纳秒尺度的非常快的发光过程，但是其延迟荧光寿命目前多在百纳秒至微秒尺度，仍有进一步提升的必要和空间，这主要可以通过进一步压低ΔST提高反向系间穿越速率（RISC）来实现，有趣的是，这一点同样是实现高发光效率和低效率滚降的OLED器件的共同追求，因此基于TADF的OLED器件在不断发展的同时，也将会自然而然地提供更多更好的X射线闪烁体。

编辑小注：热激活延迟荧光TADF材料，属于光电材料领域，是继荧光材料和贵金属磷光材料之后发展起来的第三代纯有机结构的延迟荧光材料，其典型的特征在于较小的单重态——三重态能隙，以及温度正依赖。

延迟荧光（Delayed Fluorescence, DF），也被称为缓发荧光，它来源于处于第一激发三重态（T1态）的分子，通过非辐射路径生成的处于第一单重激发态（S1态）的分子回到基态（S0态）的辐射跃迁过程。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01132-x

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01132-x

本文译自Nature。部分文字节选自科学网，一并感谢。