有机晶体的变色长余辉发光机制的实验和理论研究

长余辉发光是指断开光源后，仍能持续发光数秒或者小时以上的发光现象。它是一个“历史悠久”的发光现象，如古代帝王梦寐以求的夜明珠在漫漫黑夜仍能发出夺目的光芒。长余辉发光材料被广泛应用于应急照明、信息存储、防伪、加密和生物成像等前沿科学领域。其中，有机长余辉材料由于成本低廉、结构易修饰等优点受到国内外学者的广泛兴趣。在过去的十多年中，国内外学者报道了数个具有超长发光时间的室温有机长余辉发光材料，但是多数材料仅显示一种长余辉颜色，需利用发射波长的强度变化进行防伪、数据加密等实际应用。近年来，新型的变色有机长余辉发光材料，因为可以提供额外的加密模式而提高防伪的安全性，逐渐引起了实验学家的高度关注，但对于实验和理论化学家仍然是一个极具挑战的课题，特别是单组分的室温有机变色长余辉材料。

最近，杨清正教授、崔刚龙教授和方维海教授课题组合作报道了基于4,4'-双(9H-咔唑-9-基)联苯晶体(pCBP)的单组分室温有机变色长余辉发光材料。该有机晶体在激发源被移去后的一段时间内，其长余辉颜色随时间呈现出从蓝色到橙色的变化。实验研究表明该奇特的发光特性是由衰减速率不同的蓝光和橙光两个发射峰造成的。发射光谱分析及高精度理论计算表明，蓝光和橙光发射峰分别来自于长寿命的热激活延迟荧光（TADF）和室温磷光（RTP）。超长TADF是由S₁与T₁间较小的能量差以及从T₁到S₁缓慢的反向系间窜跃效率引起的。此外，pCBP晶体的TADF和RTP的发光波长显著不同，波峰位于430 nm和560 nm。计算结果表明双发射波长的较大能差主要来自于S₁和T₁极小结构处S₀能量的较大差异(见图1)。

论文的第一作者和共同第一作者分别为金沙威尼斯欢乐娱人城博士生王建新和方业广。研究工作得到了国家自然科学基金委的大力资助。相关论文信息：Jian-Xin Wang, Ye-Guang Fang, Chun-Xiang Li, Li-Ya Niu, Wei-Hai Fang, Ganglong Cui, and Qing-Zheng Yang. “Time-Dependent Afterglow Color in a Single-Component Organic Molecular Crystal.” Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202001141.

图1: 长余辉颜色随时间变化图和QM(CASPT2)/MM计算得到的pCBP和mCBP晶体的发光机理示意图。