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有机材料的激发态调控实现长余辉：材料及应用
有机长余辉材料由于独特的激发态性质近两年受到广泛的关注。近日，南京邮电大学的黄维（点击查看介绍）、陈润锋（点击查看介绍）课题组整理了有机长余辉材料的相关文献，对其发光机理进行详细的探讨，并展望了该类材料在有机发光及生物电子学领域的应用前景。
长余辉发光是一种独特的物理现象，是指在撤去激发条件后仍然能够持续发光一段时间（寿命大于0.1 s）。这种现象一般存在于无机材料中，例如古代的夜明珠。迄今为止，研究者们已经开发出大量的无机长余辉材料，并在各个领域得到应用。然而，无机长余辉材料中的昂贵的稀土元素和复杂的合成工艺限制了其进一步发展。而有机材料由于价格低廉、合成简便、生物相容性好、柔性等优点，近年来受到人们的广泛关注，成为开发长余辉材料的新选择。目前报道的有机长余辉材料最长寿命可达22.4 s，最高光致发光量子效率可达39.47%，证明其广阔的发展前景。
有机材料的激发态很活泼，因而发光寿命很短，如何有效调控激发态寿命、延长发光时间成为开发有机长余辉材料的关键。由于辐射跃迁和非辐射跃迁的竞争关系，实现长余辉发光必须有足够小的辐射跃迁速率（< 10 s-1）和更小的非辐射跃迁速率。基于这个基本设想先后报道了主客体掺杂、H-聚集和自由基离子对三种可能机理，并由此衍生出了聚合物、主客体掺杂、量子点、单组分有机材料和金属-有机框架（MOFs）等五种有机长余辉材料，如图1、2所示。其中以单组分有机材料为例，该类材料的研究始于2015年黄维、陈润锋课题组在Nature Materials上报道的H-聚集长余辉材料，其能够实现长余辉发光的关键在于两点：其一是分子中包含具有n电子的元素或重原子，实现单线态到三线态的系间窜越；其二是H-聚集能够稳定激发态，同时结合晶体结构减小非辐射跃迁速率以及氧气对三线态激子的猝灭，最终可以达到最长1.35 s的发光寿命。
图1. 有机长余辉发光机理。图片来源：Advanced Materials
图2. 现代有机长余辉材料研究历程。 图片来源：Advanced Materials
基于其独特的发光性质，有机长余辉材料已初步应用于信息防伪、生物成像等领域。尤其在用于生物成像时具有良好的生物相容性，能够通过增加延迟完全屏蔽背景荧光，表现出独有的优越性。
虽然有机长余辉材料在短短十年里发展迅速，但仍然有一些关键问题等待解决。一是目前的有机长余辉需要在固体状态，还无法实现溶液下的长余辉发光；二是发光寿命和发光效率在同一体系中是对立关系，所以如何得到寿命长且效率高的有机长余辉材料是个难点；三是发光颜色集中在绿光到黄光区域，蓝光和红光的长余辉还没有被报道。不过相信随着研究的不断深入，终有一天能够解决这些难题，实现有机材料激发态的高效调控和有机长余辉材料的理性设计和广泛应用。
这一成果近期发表在《Advanced Materials》上，文章的第一作者是南京邮电大学大学博士研究生徐申。
该论文作者为：Shen Xu, Runfeng Chen,* Chao Zheng, Wei Huang*
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）：
Excited State Modulation for Organic Afterglow: Materials and Applications
Adv. Mater., 2016, 28, 9920-9940, DOI: 10.1002/adma.201602604
导师介绍
黄维
http://www.x-mol.com/university/faculty/35089
陈润锋
http://www.x-mol.com/university/faculty/26813