构建二维金属有机卤化物实现发光效率和发光寿命同时提升

具有长寿命发光和高量子产率的分子固体材料在防伪、传感器、生物成像和信息储存等领域引起了广泛的研究兴趣。近年来，发光寿命达到秒级的有机室温磷光分子持续报道，但由于量子产率和寿命之间存在内部竞争关系，具有高发光量子产率的室温磷光材料仍然很稀少。相比之下，贵金属配合物（如Ir(III)或Pt(II)）具有强的重原子效应，能极大增强旋-轨耦合，提高量子产率，但其发光寿命较短。因此，如何平衡量子产率和发光寿命的竞争关系，以同时提高发光寿命和量子产率仍然是一个问题。

与室温磷光相比，热活化延迟荧光（TADF）是另一种长寿命发光（微秒至毫秒），理论上TADF能利用全部激子能量，进而实现高效率发光。另一方面，由于二维材料具有刚性层板结构，能有效抑制非辐射跃迁，是一种实现高发光量子产率的理想体系。近期，化学学院闫东鹏教授课题组以二维金属卤化物钙钛矿材料为载体，通过合理调控重原子效应来延长TADF的发光寿命，同时提高发光量子产率。他们以金属镉为基础，设计合成了两种二维蓝光杂化钙钛矿微纳片（CdCl₂-4HP和CdBr₂-4HP），其中重原子效应较弱的CdCl₂-4HP量子产率为63.55%，发光寿命为103.12ms。理论计算揭示了有机-无机量子阱结构的CdCl₂-4HP钙钛矿材料具有二维限域作用和分子间π-π相互作用，这能极大地稳定单线态和三线态激子，提高发光量子产率。而重原子效应较强的CdBr₂-4HP的量子产率为25.36%，发光寿命为0.59ms。通过对比两种不同重原子效应的杂化钙钛矿材料，证明了合理调控钙钛矿材料中重原子效应能有效地调节TADF的发光寿命，进而同时提高发光寿命和量子产率。

该工作在有机-无机杂化钙钛矿材料中同时实现了长寿命TADF和高量子产率。此外，基于光波导和长寿命TADF使得二维钙钛矿微纳片具有时间-空间双分辨的发光性能，利用此特点，发展了该材料在信息加密和光学逻辑门中的应用。研究得到国家自然科学基金、北京科技新星计划和北京师范大学分析测试基金等课题资助，研究成果近期发表于《德国应用化学》 (Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201909760）: Simultaneous Long‐Persistent Blue Luminescence and High Quantum Yield within 2D Organic‐Metal Halide Perovskite Micro/Nanosheets，北京师范大学化学学院2017级硕士生周博为论文第一作者。（文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.201909760）

图. 高效蓝光二维金属卤化物钙钛矿的合成