近日，威廉希尔官网解荣军教授课题组在有机长余辉发光材料研究中取得重要进展，相关成果以“Charge trapping for controllable persistent luminescence in organics”为题发表于《自然·光子学》（Nature Photonics, DOI: 10.1038/s41566-024-01396-0）。
长余辉发光是一种独特的光学现象，它在激发结束后仍能维持数秒至数小时。长余辉发光在夜间应急照明、生物荧光成像、光学信息存储等领域具有广阔的应用前景。长余辉发光现象一般被发现于无机发光材料中，例如人们所熟知的“夜明珠”和应急指示牌中的材料均为无机发光材料。这种独特的光学行为得益于无机发光材料中存在的能量陷阱，其可对处于激发态的载流子进行俘获和释放。通过控制陷阱的类型和深度，可相应调控长余辉发光的光子释放过程。近年来，长余辉发光概念也被应用于有机发光材料。尽管有机发光材料在生物相容性、分子结构可设计性等方面相较于无机发光材料具有优势；然而，现有有机发光材料在余辉性能方面无法和无机材料媲美，其根本原因是对相关发光机理不清楚，这大幅限制了有机长寿命发光材料的应用。
针对上述问题，威廉希尔官网解荣军教授、庄逸熙副教授团队联合南京工业大学黄维院士、安众福教授团队基于对无机发光材料的陷阱构筑和调控策略的理解，首次提出并证实了有机材料体系中的陷阱态诱导长余辉发光（Trap-induced persistent luminescence, TIP）。该模型采用类似典型OLEDs能级结构的主客体分子材料体系，通过设计具有不同深度的陷阱捕获并存储激发态载流子，随后在热激励或光激励下逐渐释放载流子并产生光子发射。该研究突破了现有有机长寿命发光的理论框架，揭示了陷阱调控有机材料发光过程的新机制，获得了持续时间超过24小时、室温存储大于7天等优异特性的有机长余辉发光材料，为高性能发光材料的定向设计提供了重要理论基础。
图1：理论模型。a. 无机长余辉发光材料的陷阱态和长余辉发光机制。b. 磷光型OLEDs发光层的电子能级结构。c. 有机主客体型TIP的能级图和发光机制。
所构建的TIP体系的典型例子采用具有优异电子传输特性的主体TPBi和高内量子效率的TADF客体分子TN。该主客体分子组合受光照之后，橙色长余辉发光峰位于~585 nm, 余辉光谱于激发后9小时仍可测得。室温下，通过光电倍增管测得衰减时长超24小时；通过亮度计校准，其亮度衰减至人眼分辨极限（0.0032 mcd m⁻²）的时长可达9.4小时。区别于传统的室温磷光或热激活延迟荧光材料，陷阱态的引入赋予了材料本身以优异的光子能量存储特性。陷阱中的电子受热激励或光激励后，可加速释放并返回发光中心复合发光。在短暂紫外激发后，陷阱中的电子可在室温下存储超1星期、在77K低温下存储超1个月。
图2：1wt% TN@TPBi光物理特性。a. TIP典例：TN（客体）和TPBi（主体）。b. 荧光、磷光和长余辉发光光谱。c. 衰减曲线。d. 热激励衰减曲线。e. 光激励衰减曲线。f. 室温存储热释光曲线。g. 室温和低温存储热释光照片。
该研究得到国家自然科学基金促进海峡两岸科技合作联合基金项目U2005212、国家自然科学基金62288102、51872247、52172156、国家重点研发计划项目2020YFA0709900、深圳市自然科学基金JCYJ20200109144614514等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-024-01396-0
