JACS：分子开关调制量子点的红外发光

精准调制材料的发光特性在智能响应材料、光学存储、超分辨率成像等领域有着广泛的应用前景。将量子点材料（也称为半导体纳米晶体，NCs）与光致色变分子开关复合，可以利用外界光，实现远距离、非侵入式精准调控材料的发光性能。目前量子点和分子开关复合体系的调制原理，主要基于福斯特共振能量转移 (FRET) 和光致电子转移 (PET) 两种，其调制范围局限于可见光区域，而且调制开关比较低。

近期，来自瑞典查尔姆斯理工大学的侯丽丽（现任天津大学教授）以及Bo Albinsson教授团队研究了一种基于PbS量子点和二芳基乙烯分子开关（DAE）的光调制体系（图1），创新性地基于三重态能量转移原理，首次实现了调制近红外区域内的发光特性。该体系具有优异的抗疲劳性和可逆性、其光调制开关比（>100）远高于之前报道的相关体系。

图1. 二芳基乙烯分子开关调制PbS量子点的红外发光体系

该研究采用PbS 量子点与DAE分子开关直接混合的方法。结果表明，与PbS量子点混合后，DAE分子开关仍具备可逆的光致异构特性，如图2A所示。当DAE处于开环状态时，即DAE-open，PbS量子点的红外发光性能不受影响；当DAE处于闭环状态时，即DAE-closed，PbS量子点的红外发光基本完全淬灭，开关比达到100以上，实现了真正的全暗状态，如图2B所示。值得指出的是，该体系的光调制完全依赖于不同光波长的使用，利用红光读取PbS量子点的红外发光，利用紫外光和绿光调节DAE分子开关的异构，读取过程不会影响分子开关的状态。此外，该体系具备优异的抗疲劳性和可逆性，在四个光开关循环下，吸收光谱和发光光谱呈现稳定的开关性能，如图2中小图所示。

图2. 吸收光谱和发光光谱的光调制性能

该体系优异的性能源于三重态能量转移原理（TET），如图3所示。DAE-open的三重激发态能级（T1）为2.65 eV，高于PbS量子点的激发态能级1.65 eV，不会产生三重态能量转移，因此，PbS量子点的红外发光性能不受影响；与之对比，DAE-closed的三重态能级为0.89 eV，低于PbS量子点的能级，能极差高达0.76 eV，如此高的三重态能量转移驱动力是实现高调制比的关键。飞秒瞬态吸收光谱、DFT理论计算、光谱电化学分析进一步证明了该体系的三重态能量转移原理。

图3. 基于三重态能量转移的光调制原理

该研究成果发表于 Journal of the American Chemical Society 。天津大学侯丽丽教授为论文的第一作者及通讯作者，瑞典查尔姆斯理工大学Bo Albinsson教授为共同通讯作者。

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Optically Switchable NIR Photoluminescence of PbS Semiconducting Nanocrystals using Diarylethene Photoswitches

Lili Hou*, Rasmus Ringström, Andrew B. Maurer, Maria Abrahamsson, Joakim Andréasson, and Bo Albinsson*

J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 17758–17762, DOI: 10.1021/jacs.2c07102

【作者简介】

侯丽丽，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授。本科毕业于南开大学光电子技术与科学专业，硕士毕业于天津大学光学工程专业，博士毕业于荷兰格罗宁根大学物理化学专业，其后在法国斯特拉斯堡大学进行博士后研究工作，2019至2021年期间任职于瑞典查尔姆斯理工大学研究员，现就职于天津大学。主要研究方向包括：1）光致色变分子开关与分子马达；2）可调控光电子器件；2）光致能量及电子转移等领域。迄今已在Nat. Nanotech., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater.等期刊发表多篇论文。

侯丽丽教授课题组现长期招聘光学、物理化学、材料等相关专业的硕士生、博士生、科研助理以及博士后。

Bo Albinsson，2003 年起任职于瑞典查尔姆斯理工大学化学化工学院物理化学专业正教授。2006-2014年期间，担任查尔姆斯化学与生物化学系主任，2015-2021年担任查尔姆斯纳米卓越计划（Nano Excellence Initiative）主任，现为瑞典皇家科学院 (KVA) 的院士，2015 年起，担任皇家化学学会Physical Chemistry Chemical Physics杂志副主编。目前主要研究领域为光诱导的能量以及电子转移过程，以及太阳能相关光子能量下转换和上转换的新型材料，已发表相关论文百余篇，h因子59，引用大于10000次。