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高校科學家在有機閃爍體領域取得重大突破
2021-01-21 西北工業大學

  西北工業大學柔性電子前沿科學中心黃維院士和南京工業大學先進材料研究院安眾福教授帶領的創新團隊在有機閃爍體領域取得重大突破。他們成功地實現了純有機材料在X射線激發下的高效輻射發光,同時展現了該類材料在X射線探測、成像等領域的巨大應用潛力。2021年元月11日(英國倫敦時間),相關成果(“Organic phosphors with bright triplet excitons for efficient X-ray excited luminescence”)在線發表于國際頂尖學術刊物——Nature Photonics(《自然?光子學》)上。

  眾所周知,閃爍體是一類吸收高能粒子或射線后能夠發光的材料。X射線激發的閃爍體材料在輻射探測、安全檢測、生物醫學和X射線天文學等領域有廣泛的應用。然而,高效閃爍體材料多為以陶瓷閃爍體為代表的無機材料,其制備受限于高溫合成,且難以在柔性基底上實現大面積制備。由于不含金屬的純有機材料具有原材料儲量豐富、機械柔性高、加工性能優、可大面積制備等突出優勢。因而,有機閃爍體可作為閃爍體家族的全新材料,尤其是在柔性電子領域具有極大的潛在應用價值。但傳統的純有機材料主要由碳、氫、氮等質輕元素組成,對X射線的吸收較弱;另外,其弱的自旋軌道耦合作用導致有機發光材料在X射線激發下,三線態激子通常因躍遷禁阻而不發光,即只能產生源自于單線態的熒光發射。因此,生成比例達75%的三線態激子未被充分利用,限制了純有機閃爍體材料的發展。因此,如何實現高效的純有機閃爍體是該領域面臨的重大研究挑戰之一。

  針對這一世界性科學難題,西北工業大學柔性電子前沿科學中心黃維院士、南京工業大學安眾福教授所帶領的團隊與新加坡國立大學劉小鋼教授課題組合作,利用亮態三線態激子,實現了高效的純有機閃爍體這一設計思想。他們通過理性的分子設計,引入鹵素重原子,不僅提升了X射線吸收能力,而且有效地促進了三線態激子發光,進而提高了激子利用率并增強了純有機閃爍體的輻射發光性能。該閃爍體材料對X射線的檢測限為33 nGy/s,是醫學X射線成像使用劑量的1/167。鑒于其高效、穩定的輻射發光特性,他們成功將該類材料應用于X射線成像領域。該創新性研究成果不僅為探索新型閃爍體材料提供了一個基本的設計原則和全新途徑,而且為發展用于無損射線檢測、醫學成像等領域的柔性X射線探測器提供了全新策略。

  這一突破性進展的相關實驗的主要完成者是論文的共同第一作者王曉博士與史慧芳教授。南京工業大學IAM團隊的馬會利副教授、謝小吉教授和王建浦教授、福州大學陳秋水教授和楊黃浩教授、浙江大學楊旸教授、深圳大學王瑀教授、中國科學技術大學張國慶教授等從不同角度參與了此項研究。這一工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和國家博士后創新人才支持計劃等項目的支持。

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41566-020-00744-0

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