外消旋化增强有机室温磷光

近年来，有机室温磷光（RTP）材料因在光电器件和生物电子学等方面的潜在应用而备受关注。手性发光材料在螺旋自组装、手性识别、生物传感、3D显示、信息存储与处理、圆偏振激光等领域具有广泛的应用前景。然而，对于组成和原子排列方式完全相同的手性异构体分子而言，弄清分子晶体堆积与RTP性质之间是否存在相关性具有重要的意义。早在20世纪初，德国化学家Wallach对于手性分子提出了著名的Wallach规则：在晶体中，外消旋构型分子一般比其绝对构型分子具有更高的稳定性和更大的密度。但是在手性发光材料，特别是在长寿命的手性RTP材料中是否也遵守Wallach规则至今是个谜。

针对这一关键科学问题，为了探明固体分子与室温磷光材料性质间的科学奥秘，经过不懈努力，常州大学材料科学与工程学院朱卫国教授（点击查看介绍）团队和台湾大学周必泰教授（点击查看介绍）合作提出了外消旋化增强磷光理论：在晶体中，具有RTP特性的手性分子，其外消旋构型分子的发光一般也遵守Wallach规则，即与其绝对构型分子相比，其外消旋构型分子不仅具有更大的密度，而且具有更长寿命和更高发光效率。他们进一步通过系列1,1'-联萘-2,2'-双二苯膦（BINAP）手性分子验证了这一理论。研究发现：(1) 在外消旋分子 (rac-BINAP) 的晶胞中，R-与S-构型的BINAP分子两两交错排列，比单一的R-BINAP或S-BINAP具有更强的短程分子间作用力（如图1），能够有效抑制双分子间的三线态-三线态湮灭（TTA）等方式的非辐射跃迁，从而有效提高室温磷光效率；(2) rac-BINAP呈现了深红光磷光发射，其最大发射波峰为680 nm，这是目前文献报道的最大波长的RTP材料（如图2）。

图1. rac-BINAP(左)、R-BINAP(中)和S-BINAP(右)的晶体结构。

图2. (a) rac-BINAP与(b) R-BINAP的光致发光光谱，(c) 晶态下的rac-BINAP在紫外灯照射后的磷光发光。

可喜的是，合作团队利用BINAP材料的本征荧光和磷光发射成功获得了最大外量子效率EQE_max=1.59%、色坐标CIE为（0.37,0.44）的非掺杂白光有机发光器件(WOLEDs)。研究成果为提高有机RTP效率及实现RTP材料在有机发光器件中的应用具有重要意义。

研究成果发表在《自然.通讯》（Nature Communications）上，文章的第一作者是常州大学博士研究生吴秀刚、台湾大学硕士研究生黄俊颖和台湾大学博士研究生陈登高，常州大学为该文章第一通讯单位，朱卫国教授和周必泰教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省“双创人才”高校创新类工程、江苏省高等学校优势学科建设工程(PAPD)等项目资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Exploiting racemism enhanced organic room-temperature phosphorescence to demonstrate Wallach's rule in the lighting chiral chromophores

Xiugang Wu, Chun-Ying Huang, Deng-Gao Chen, Denghui Liu, Chichi Wu, Keh-Jiunh Chou, Bin Zhang, Yafei Wang, Yu Liu, Elise Y. Li, Weiguo Zhu, Pi-Tai Chou

Nat. Commun., 2020, 11, 2145, DOI: 10.1038/s41467-020-15976-5

导师介绍

朱卫国

https://www.x-mol.com/university/faculty/185302

周必泰

https://www.x-mol.com/university/faculty/40460