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Angew. Chem. :氫鍵網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)手性一維有機(jī)無機(jī)雜化錳氯化物產(chǎn)生高效圓偏振發(fā)光2024-06-27
圓偏振發(fā)光(Circularly polarized luminescence, CPL)材料在三維光學(xué)顯示、光子學(xué)加密傳輸和信息存儲(chǔ)、X射線成像和光學(xué)傳感器等多個(gè)光電領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。在眾多材料里具有優(yōu)異發(fā)光性質(zhì)以及獨(dú)特手性結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無機(jī)雜化金屬鹵化物有望成為一類新型的CPL功能材料目前,這一熱門研究領(lǐng)域的首要挑戰(zhàn)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY)、高抗熱淬滅和大的發(fā)光不對(duì)稱因子(glum)結(jié)構(gòu)確定的CPL材料合成。因此,如何制備具有優(yōu)異CPL性能的雜化錳基鹵化物單晶,并揭示光學(xué)活性的來源,仍然是一個(gè)亟待解決的難題。

近日,廣西大學(xué)龐起教授和汕頭大學(xué)羅彬彬副教授合作,使用手性有機(jī)胺分子誘導(dǎo)合成策略,通過簡(jiǎn)單的反溶劑結(jié)晶法,獲得了兩對(duì)手性雜化錳基鹵化物單晶,R/S-(3-methyl piperidine)MnCl3?(R/S-1)和R/S-(3-hydroxy piperidine)MnCl3?(R/S-2),它們結(jié)晶于非中心對(duì)稱空間群P212121。這些單晶顯示出強(qiáng)烈的紅色發(fā)射,優(yōu)異的熱穩(wěn)定性,而且還顯示出圓偏振發(fā)光。與R/S-1相比,R/S-2單晶具有100%光致發(fā)光量子產(chǎn)率(PLQY)和高抗熱淬滅能力,不對(duì)稱因子 (glum) 為2.5×10?3,這歸因于R/S-(3-羥基哌啶)陽離子與[MnCl6]4-鏈之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了晶體剛性。圓偏振發(fā)光活性源自于與R/S-(3-羥基哌啶) 發(fā)生的不對(duì)稱的 [MnCl6]4-?發(fā)光團(tuán)的N-H···Cl 氫鍵作用。

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圖1、一維雜化錳晶體結(jié)構(gòu)圖。(a, c) R/S-1和R/S-2的堆積框架,插圖為手性陽離子的分子結(jié)構(gòu)式。(b, d) R-1和R-2中氫鍵的示意圖。

通過晶體結(jié)構(gòu)分析表明,這些對(duì)映體分別呈現(xiàn)出不可疊加的鏡像幾何構(gòu)型。所有單晶都顯示出一維共面[MnCl6]4-八面體。與R/S-1相比,R/S-2單晶除了N-H···Cl 氫鍵外,相鄰手性有機(jī)陽離子之間還形成了兩種新的氫鍵,其長(zhǎng)度分別為2.84 ?和2.24 ?的O-H···O和N-H···O氫鍵,這將對(duì)其性質(zhì)產(chǎn)生影響。光譜分析表明,在 373 nm的激發(fā)下,這些晶體呈現(xiàn)出明亮的紅色發(fā)射,R/S-1和R/S-2的PLQY分別約為60%和100%。值得注意的是,R/S-2晶體具有接近100%的PLQY值,是目前報(bào)道的一維雜化錳基鹵化物的最高值。圓二色譜(CD)信號(hào)表明手性成功地從有機(jī)陽離子轉(zhuǎn)移到[MnCl6]4-無機(jī)鏈上。圓偏振光的各向異性因子用不對(duì)稱因子(glum)來量化,R/S-2晶體的最大glum值為2.5×10-3,表明這些手性雜化錳氯化物為圓偏振發(fā)光活性材料。

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圖2、 R/S-1和 R/S-2單晶的光學(xué)性質(zhì)。(a) R-1和R-2單晶的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜。(b) R/S-2 的圓二色譜和吸收光譜。(c-d)R/S-1和R/S-2單晶在室溫下的CPL光譜。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用與溫度相關(guān)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光譜研究了它們的光物理性質(zhì)。結(jié)果顯示,在80 K-300 K溫度范圍內(nèi), R/S-2單晶的發(fā)射峰和熒光壽命幾乎保持不變,而R/S-1則顯示出明顯的發(fā)射強(qiáng)度和熒光壽命變化。這種差異歸因于R/S-2中氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成的較強(qiáng)的剛性環(huán)境。此外,這些材料還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性,在420 K時(shí)能夠保持初始強(qiáng)度的83.2%?(R-1)和85.9%?(R-2)。進(jìn)一步的電子順磁共振光譜(EPR)和磁滯回線分析證實(shí)了紅色發(fā)光來源于Mn2+的d-d躍遷。

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圖3、?(a) R-1(上)和 R-2(下)單晶隨溫度變化(80-300 K)的熒光光譜等線圖。(b) R-1和R-2單晶的激子結(jié)合能 (Eb) 值。(c) R-2 的隨溫度變化的熒光壽命衰減曲線圖和單指數(shù)擬合結(jié)果(d)。(e)77 K 時(shí)R-1(上)和R-2(下)單晶體的 EPR 光譜。(f) 273 K 時(shí)R-1 和R-2的磁滯回線。

研究團(tuán)隊(duì)深入探討了R/S-2單晶具有接近100% PLQY的原因。與R/S-1相比,R/S-2單晶中相鄰的 R/S-(3-hydroxy piperidine)陽離子間距較短,有利于氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成。相鄰有機(jī)離子之間最短的 O-O 間距為 3.65 ?,N-O 間距為 3.02 ?,便于形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)。氫鍵網(wǎng)絡(luò)使得R/S-2具有較強(qiáng)剛性環(huán)境,并且大大抑制了非輻射衰減,從而展現(xiàn)出接近100%的PLQY。相比之下,R/S-1中的R/S-(3-methyl piperidine) 陽離子之間的弱相互作用導(dǎo)致激子通過非輻射途徑耗散,因此表現(xiàn)出較低的PLQY。

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圖4、R-2單晶中的氫鍵相互作用及形成的剛性晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

此外,基于R/S-2晶體優(yōu)異的性質(zhì),研究團(tuán)隊(duì)還展現(xiàn)了該材料在圓偏振發(fā)光LED和X-射線成像方面的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)工作為基于 Mn (II) 的多功能手性雜化鹵化物材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)和光電應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)。

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圖5、R-2晶體在X射線閃爍體中的性能。(a)R-2晶體的X射線輻射發(fā)光(RL)光譜。(b)在0.21-0.93 mGy·s–1范圍內(nèi),不同X射線劑量下R-2樣品的RL光譜。(插圖)顯示了R-2的信噪比隨劑量率變化的情況。(c)自制X射線成像系統(tǒng)示意圖。(d)R-2閃爍屏和X射線圖像的照片。

文信息

Circularly Polarized Luminescence Induced by Hydrogen-Bonding Networks in a One-Dimensional Hybrid Manganese(II) Chloride

Jing Li, Qiulian Luo, Jianwu Wei, Liya Zhou, Peican Chen, Binbin Luo, Yibo Chen, Qi Pang, Jin Zhong Zhang

論文的第一作者是廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生李靖,通訊作者是廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院龐起教授和汕頭大學(xué)羅彬彬副教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202405310

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