新型电荷转移特征材料的激发态动力学与溶剂化相关的光谱学研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiansong2001
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电荷转移是广泛存在于天然与人工合成体系中的一种最基本的微观过程。无论是气相、液相、固相还有表面中都可以观测到电荷转移过程。具有电荷转移特征的材料以其特殊的物理化学性质,在物理、化学、生命科学、微电子学和材料科学等诸多领域,都具有广阔的应用前景。近年来电荷转移过程的研究已经成为许多研究领域的重要课题。通过对电荷转移过程的研究,不仅可以阐述体系的物理、化学性质和反应机制,还可以为新型材料分子的合成路线进行指导与改进。因此,对于具有电荷转移特征材料的研究在能源利用、环境保护、分子设计、疾病诊断等高新技术领域发挥着越来越重要的作用。然而,很多具有电荷转移特征新型材料的结构与性能的关系,尤其是与其光学性能的关系还没有得到充分的了解。  本工作就专门选取了两种典型的新型电荷转移类分子作为研究对象:一种是具有热活化延迟荧光(TADF)特性的分子tri-PXZ-TRZ,另一种是可以探测淀粉样蛋白纤维的探针分子NIAD-4。我们利用稳态光谱、飞秒瞬态吸收光谱、纳秒闪光光解、时间相关单光子计数等光学测试手段,对这两种分子的激发态的电荷转移过程进行了深入的研究,试图了解这两种分子的激发态的弛豫动力学以及溶剂对这两类分子激发态过程的影响。  (1) tri-PXZ-TRZ分子是典型的延迟荧光分子,具有很强的延迟荧光。那么怎样的分子结构才会使这类分子产生延迟荧光呢?外界环境是如何影响这类分子的发光特征的呢?如何提高这类分子的发光效率呢?  我们发现该类材料的延迟荧光材料是由其显著的电荷转移特性引起的。稳态和瞬态光谱实验结果表明,该分子在弛豫过程中会发生明显的溶剂化过程,溶剂化过程使得该分子的激发态势能面快速降低。并且溶剂的极性越大,溶剂化过程就越剧烈。剧烈的溶剂化过程使得其荧光发射波长产生显著的红移。此外,我们研究还发现在高极性溶剂中,该分子的延迟荧光过程被猝灭掉了,原本的瞬时荧光强度也急剧变弱,荧光量子产率显著降低。通过对实验数据的分析,我们提出了激发态溶剂化过程与系间窜越过程相互竞争的弛豫机制,从而阐明了延迟荧光猝灭的机理:由于剧烈的溶剂化作用使绝大部分电子弛豫到了溶剂稳定的电荷转移态,而只有极少电子通过系间窜越到了三重激发态。同时,由于强烈的溶剂与溶质的相互作用,使得非辐射速率增加,该分子的荧光量子产率降低。  (2) NIAD-4是一类荧光探针分子,这类分子在低粘度的液相溶液中的荧光量子产率很低,一旦与淀粉样蛋白特异性结合其荧光量子产率急剧上升,这种荧光增强的机理是什么呢?怎样的分子结构才能产生这样的现象呢?而外界环境又是怎样的影响这类分子发光特性的呢?  我们的实验和量化计算结果发现该分子同时具有电荷转移特征和分子转动特征两种性质,其发光特性既受到溶剂极性的影响又受到溶剂粘度的影响。通过改变溶剂的粘度,我们发现在粘度变化较大的醇类溶剂中,该分子的荧光波长变化不大,但是荧光强度随溶剂粘度的增加而不断增大。这是因为该分子在激发态存在一个不发光的扭曲的结构;当溶剂的粘度变大时,分子转动受到限制,不发光的扭曲结构不易形成,荧光强度变强。在极性变化较大的非质子有机溶剂中,该分子的荧光发射波长随溶剂极性的增加而发生显著红移,说明了激发态存在溶剂化过程。在该类非质子的溶剂中,荧光强度并没有随着粘度的变化而变化,也没有随着溶剂极性的增强而减弱,反而随溶剂极性增加而增大。这是为什么呢?为此,我们提出了溶剂化过程诱导的溶质分子周围环境微观粘度上升的机理:溶剂化作用越强,激发态分子周围的微观粘度上升越明显,导致了分子的转动受限,产生较强的荧光。我们认为,这种溶剂化诱导的微观粘度的变化,广泛存在于具有电荷转特性的D-π-A分子中,但是,对于大部分子,强烈的溶剂化过程还有可能增加非辐射弛豫通道,导致荧光量子产率降低。因此,只有当分子同时具有电荷转移特征与分子转动特征时,且转动过程是主要非辐射弛豫途径时,才能观测到荧光量子产率随溶剂极性增加而增加的现象。此外,只有在低粘度(<1 cp)的溶剂中,微观粘度才是影响分子转动的主要因素。量子化学计算的结果表明,该分子的三个可以转动的二面角中,通过第二个二面角(A2)的转动,该分子很容易翻越一个能量势垒,到达一个不发光的扭曲电荷转移态(TICT态)。在此基础上,我们进一步提出了该分子在溶剂中完整的弛豫动力学模型。
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