基于胆甾型液晶的有机圆偏振室温磷光材料的研究进展

圆偏振室温磷光(CP-RTP)材料因其独特的光物理性质, 广泛应用于生物成像、信息加密和防伪等领域. 近年来, 研究者研发了不同体系的CP-RTP材料, 发现超分子组装策略可以提供高阶有序的排列方式, 有利于实现较高的磷光发光不对称因子gPh. 胆甾型液晶材料具有高阶有序的螺旋超结构, 表现出手性放大效应, 并利用这种周期性螺旋结构选择性地反射与其螺旋旋向相同的圆偏振光, 从而透射出与其相反旋向的纯圆偏振光, 进一步提高了发光不对称因子gPh值. 本文分析了螺旋超结构对材料光物理性质的影响, 总结了近年来胆甾型有机高偏振室温磷光材料的研究进展及其在信息加密和安全防伪等领域的应用.

圆偏振发光(CPL)材料因其优异的光学灵敏度和空间分辨率, 在三维(3D)显示、信息加密和防伪、数据存储和生物成像等领域展现出广阔的应用前景. 根据玻恩左手定则, 以光的传播方向为参照可将圆偏振光分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光(图1a). CPL的偏振强度主要由发光不对称因子glum来衡量, 计算公式为glum=2(IL−IR) / (IL+IR),其中IL和IR分别为左旋和右旋圆偏振光的强度,glum值的范围为[−2, 2], 其中−2表示纯右旋CPL,+2表示纯左旋CPL. 理论上,glum值可以简单近似为4|m|cosθ/|μ|,其中|m|与|μ|分别指磁场和电场的跃迁偶极矩矢量的大小,θ是电场和磁场两个跃迁偶极矩矢量的夹角, 因此具有磁偶极跃迁允许且电偶极跃迁禁阻性质的手性发光材料能发射较强的左旋或右旋圆偏振光.

图 1 (a) 圆偏振光的运动轨迹; (b) 室温磷光发光机理; (c) 胆甾型液晶放大CP-RTP信号示意图

纯有机室温磷光(RTP)材料因其更长的发光寿命和更大的斯托克斯位移(图1b), 在信息防伪、光电器件和光动力治疗等领域具有广泛的应用前景. 迄今为止, 研究者已经通过晶体工程、主客体掺杂、超分子组装和聚合等方法有效地稳定三线态激子, 制备了高性能的纯有机RTP材料. 特别是, 近期研究者们将手性与磷光相结合, 构建了具有纯有机圆偏振室温磷光(CP-RTP)性质的新型材料. 然而, 纯有机CP-RTP材料通常表现出磁偶极跃迁禁阻或弱的磁跃迁偶极矩, 其磷光发光不对称因子gPh常处于10−4~10−2数量级, 因此迫切需要开发新的策略来制备具有高gPh值的CP-RTP材料, 以满足实际应用的需求.

胆甾型液晶(CLCs)具有周期性的螺旋超结构, 表现出一维光子晶体特性, 这有利于放大CP-RTP信号(图1c). 主要有两个原因: (1) 高阶有序的螺旋结构直接放大CPL信号, 其中CPL沿着螺旋轴传输, 其偏振方向遵循导向扭转; (2) 这种周期性螺旋结构赋予材料选择性反射的特性, 即选择性地反射与其螺旋旋向相同的圆偏振光(光子带隙, PBG), 同时透射相反旋向的纯圆偏振光. 因此, CLCs材料为构筑纯有机高偏振RTP材料提供良好选择, 推动其在光电器件等领域的实际应用. 近年来, 研究者们采用该策略使纯有机CP-RTP材料性能提升获得较为瞩目的进展. 本文旨在概述近期胆甾型有机高偏振CP-RTP材料的研究进展, 及其在信息加密和安全防伪等领域的应用.

本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.