近日，黃維院士、安眾福教授課題組報道了一種多晶型依賴的動態超長有機磷光材料，揭示了晶體中分子堆積形態與動態超長有機磷光的內在關系，并實現了其在智能化電子領域中的應用。相關成果以“Polymorphism-Dependent Dynamic Ultralong Organic Phosphorescence”為題發表于Research上（Research, 2020, 8183450, DOI: 10.34133/2020/8183450）。
刺激響應材料，又稱智能材料，是指其物理性質隨外界刺激（如光、熱、力等）而變的一類材料，被廣泛應用于數據加密、信息存儲、生物傳感等領域。最近，光活化的動態超長有機磷光材料——磷光性質隨光照時間而變——逐漸進入人們視野，這為開發新型刺激響應材料開辟了新的方向。然而，這一新型材料的內在發光機理仍不明確，嚴重阻礙了新型智能材料的開發。
迄今為止，僅在晶體條件下觀測到有機材料的光活化動態超長磷光現象，也就是說，這一現象與晶體中的分子堆積息息相關。因此，迫切需要構建多晶型的有機材料，研究其動態超長磷光性質在不同光活化時間下的差異，揭示分子堆積與動態超長有機磷光的內在關系，指導新型動態超長有機磷光材料的開發。
近日，西北工業大學黃維院士、安眾福教授帶領團隊設計了一種高度扭曲的分子PyCz，通過簡單的溶劑揮發法，得到了該分子的塊狀PyCz-B和針狀PyCz-N兩類晶體。紫外燈照射后，這兩種晶體均具有光激活的動態磷光現象。不同的是，光照3秒后，便可明顯的觀測到PyCz-B的超長余輝現象，而PyCz-N卻需要6分鐘的光激活（圖1）。
圖1 PyCz的兩種晶體展現出不同的光激活速度
兩種晶體的光物理性質研究表明，隨光照時間增長，磷光強度逐漸增強，磷光壽命顯著延長。更為重要的是，PyCz-B晶體的光激活速度和失活速度要明顯快于PyCz-N（圖2），這為揭示分子排布與動態超長磷光現象的內在關系提供了重要依據。
圖2 PyCz兩種晶體的動態光物理性質
進一步晶體分析顯示，光激活后晶體中分子排布變得更加緊密，這將大大限制分子運動，抑制非輻射躍遷過程，從而使得磷光壽命延長。此外，PyCz-N晶體中分子間的相互作用遠強于PyCz-B晶體，緊密的堆積使得分子不易發生運動，從而導致其較慢的動態光活化/失活速度。理論計算表明PyCz-N激活前后的能量差更大（圖3），進一步證實了上述推論。
圖3 多晶型光激活動態磷光的機理研究
最后，利用PyCz光激活動態磷光的刺激響應性質，將該材料成功應用于邏輯門以及數據存儲中（圖4）。
圖4 光激活動態磷光材料在邏輯門和數據存儲中的應用
基于同一分子多晶型的光激活動態磷光的研究，不僅能夠清晰的揭示分子排布與光激活動態磷光性能的關聯機制，為具有磷光性質的有機智能材料的設計奠定理論基礎，而且能夠拓展該類材料的應用領域。同時，這為開發新型智能材料提供了機遇。
論文鏈接：https://spj.sciencemag.org/research/2020/8183450/
