近日，西北工業大學黃維院士、劉小網教授在有機室溫磷光領域取得新研究進展，在有機小分子摻雜的SiO2納米微粒中觀察到了來自缺陷態能級的發光，并深入探究了缺陷態能級在調控長余輝發光中的作用。研究成果以“Matrix-induced defects and molecular doping in the after-glow of SiO2microparticles”為題發表在高水平學術期刊一Nature Communications(《自然·通訊》)上。
圖 a） 缺陷與分子在SiO2微球（SiO2MPs）中的結構分布示意圖；b）發光分子與缺陷態之間的能量傳遞示意圖；c） 4-苯基吡啶摻雜的SiO2MPs的TEM圖像；d）4-苯基吡啶摻雜的SiO2MPs在水中的余輝現象；e）4-苯基吡啶摻雜的SiO2MPs與無摻雜SiO2MPs的瞬態與穩態發射光譜對比；f）有無4-苯基吡啶摻雜SiO2MPs余輝壽命對比；g）激發波長依賴的4-苯基吡啶摻雜SiO2MPs的穩態發射光譜。
研究摻雜體系中摻雜分子與基質材料的相互作用對實現摻雜分子的長余輝發光調控具有重要意義。SiO2是一類重要的基質材料，富含硅羥基與自身剛性能夠抑制內部發色團的振動，高效激活摻雜分子的室溫磷光，但其中的缺陷對摻雜分子長壽命發光的影響規律仍不明確。本工作中，我們利用水熱條件下的“假晶”轉變，實現小分子（如4-苯基吡啶、4,4'-聯吡啶和1,4-雙（吡啶-4-基）苯）對單分散SiO2微球的摻雜，研究表明水熱反應還有利于SiO2中發光缺陷的形成，使其與摻雜分子發生能量作用。具體來說，4-苯基吡啶摻雜導致熒光和余輝分別提高了227倍和271倍，且產物微粒的余輝壽命相較于未摻雜的提高了3711倍。當切換不同波長的激發時，我們觀察到并記錄了來自分子摻雜劑和SiO2缺陷的混合態的發光，提出激發響應性的余輝顏色變化來自分子摻雜劑與缺陷態之間在單重態和三重態中的能量轉移。本工作中“假晶”轉換策略的優勢在于產物顆粒能夠基本保留起始顆粒的單分散與形貌特征，用具有長余輝發光性質的SiO2MPs構筑光子晶體時，在保持角度依賴性結構色性質的同時，可產生激發依賴的余輝發光。基于缺陷態輔助的多重余輝發光，可以促進多尺度光學平臺的構建，為信息安全提供新的解決方案，具有重要的潛在應用價值。
這一突破性進展的相關實驗的主要完成者是論文的第一作者西北工業大學柔性電子研究院在讀博士陳雪，通訊作者為西北工業大學劉小網教授和黃維院士。大連理工大學武素麗教授，西北工業大學吳忠彬教授、徐巍棟教授，與韓國成均館大學Yung Doug Suh教授參與了此項研究。這一工作得到國家自然科學基金面上項目和陜西省重點研發計劃項目的支持。
全文連接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51591-4。
(文字：陳雪 審核：王學文）
