圆是什么结构-LIght| 基于有机微纳结构的圆偏振发光

撰稿|邓勇靖

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导读

圆偏振发光(CPL)是指手性发光体受激发射出左旋或右旋圆偏振光的现象。具有CPL性质的材料在三维显示、光学存储、化学传感及生物检测等领域具有广阔的应用前景，成为近年来发光材料领域的研究热点。在各种手性发光体中，有机微纳结构由于其高的发光量子效率和放大的发光不对称因子受到了越来越多的关注。

近日，南京邮电大学黄维院士、赵强教授课题组在国际顶级期刊Light: & 发表综述文章，总结了基于有机微纳结构的CPL活性材料的最新研究进展，从微纳结构的构建和手性的引入两方面阐述了CPL活性有机微纳结构的设计原理，并探讨了调控CPL性能的外界刺激方式。同时，该文还展望了CPL活性有机微纳结构的应用前景及未来发展所面临的挑战。

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研究背景

圆偏振光由于其良好的偏振态以及益于人眼健康，在未来显示和光子技术等领域具有广阔的应用前景。传统地，圆偏振光是由非偏振光通过起偏器和四分之一玻片转换而来的。在这个过程中，至少50%的能量将会损失。因此，迫切需要开发出能够直接发射圆偏振光的新型发光材料。

图1 产生圆偏振光的两种方法：a）物理方法；b）圆偏振发光

手性是指一个物体不能与其镜像重合的几何特性。具有手性的分子通常表现出独特的光物理特性，如旋光性、圆二色性和圆偏振发光。CPL是指手性发光体发射出具有强度差异的左旋和右旋偏振光，这为直接产生圆偏振光提供了理想的选择。CPL活性材料的构建通常依赖于手性环境和发光中心的结合。有机分子由于其高的发光效率、可调的发射性能以及丰富的手性中心，受到了广泛的关注。然而，基于有机单分子的CPL活性材料的发光不对称因子（glum）通常较低。而glum值是衡量CPL材料性能的一项重要指标。|glum|值越大表明左旋和右旋偏振光的不对称性越大，这意味着更低的能量损失。

相比于单分子状态，具有微纳结构的有机组装体由于增强的激子耦合，通常表现出放大的glum值，这为同时实现高的发光效率和发光不对称因子提供了可能。近年来，基于有机微纳结构的CPL活性材料取得了巨大进展，已经实现了超过1.4的|glum|，接近其理论最大值2。因此，迫切需要系统地讨论和总结这一新兴快速发展领域的最新研究进展，总结分子设计、组装结构和CPL性能之间的关系，并指出CPL活性材料未来的发展方向。

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创新研究

本文首先从微纳结构的构造和手性的引入两个方面阐明了CPL活性有机微纳结构的设计原理。基于这些设计原理，详细介绍了几种典型的CPL活性有机微纳结构，包括小分子的自组装、π共轭聚合物的自组装以及在微纳尺度上的自组装，并比较了各种方法的优缺点。

表1 各种构建CPL活性有机微纳结构方法的优缺点对比

方法

优点

缺点

小分子

自组装

手性发光分子的有序堆积

高的|glum|值；普适性

复杂的共价键合成；成本高

发光分子与手性分子共组装

便捷的非共价相互作用; 多样性；兼容性

性能难以预测

非手性发光分子对称性破缺

能够实现非手性分子的圆偏振发光

低的|glum|值; 稳定性差;制备条件苛刻

共轭聚合物自组装

主链手性共轭聚合物

结构明确；均匀性；可加工性

有限的轴手性单元；性能难以预测；成本高

具有手性侧链的共轭聚合物

结构明确；性能可调；均匀性；可加工性

合成复杂；成本高

在非手性共轭聚合物中掺杂手性添加剂

高的|glum|值；多样性；易于调节

不均匀性

微纳尺度上的自组装

非手性纳米模板

规整的结构和形貌；良好的结构稳定性

成本高；生物相容性差；有限的手性配体

手性纳米模板

便捷；高效；生物相容性；多样性

稳定性较差；机械性能较差

有机微纳结构主要是通过自组装的方式形成的，这一过程依赖于分子间的非共价相互作用，如氢键、配位键、静电作用和主客体相互作用等。这种非共价相互作用通常是动态、可逆的，容易受外界刺激的影响。因此，各种各样的外界刺激（溶剂、pH值、金属离子、机械力和温度等）为调控有机微纳结构的CPL性能提供了便捷的途径。

图2 利用外界刺激调控CPL性能

基于有机微纳结构的CPL活性材料由于其高的发光量子效率和高的|glum|值，在发光显示、信息加密与处理及化学与生物传感等领域显示出广阔的应用前景。

在有机发光二极管（OLED）中，通常会使用偏振片来降低环境光的反射，从而获得较高的图像对比度。因此，由OLED发出的光最多只有一半能透过偏振片，造成极大的能量和亮度损失。而基于CPL材料的圆偏振有机发光二极管（CP-OLED）可以发出与偏振片具有同手性的圆偏振光，降低了透过偏振片时的亮度损失，提高了能量利用率。

在光学信息处理领域，与传统的光响应材料相比，具有CPL活性的材料可以同时利用光信号和手性信号，能够实现更高的存储密度和安全性。同时，由于有机微纳结构的动态可逆特性，有望实现可擦写信息加密和智能光开关。

在化学与生物传感领域，基于CPL活性有机微纳结构的传感技术可以有效消除背景荧光和非偏振光的干扰，实现更高的灵敏度和分辨率。

图3 CPL活性有机微纳结构的应用

值得注意的是，发光量子效率和|glum|是衡量CPL性能的两个重要参数。然而，通常难以同时获得高的发光量子效率和高的|glum|，单一的|glum|值或者量子效率都难以全面地评估材料的CPL性能。本文中，作者从能量损失的角度提出了不对称量子效率（φa）这一指标，其定义为左旋或右旋圆偏振光强度与入射光强的比值。φa值越大，代表能量损失越低。这一指标对于评估CPL材料的综合性能具有重要的实际意义。

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总结与展望

作为新兴快速发展的领域，开发基于有机微纳结构的高性能CPL活性材料仍然面临着诸多挑战。首先，自组装过程是动态的，对有机微纳结构的形成及其手性放大机理的研究需要动态原位表征技术，尤其是时间依赖的光谱和成像技术。其次，当前的研究主要集中在溶液体系中，迫切需要实现薄膜状态下的CPL以满足器件集成的需要。层层自组装技术能够在分子水平上控制薄膜的组成和结构，有望实现薄膜状态下的CPL。最后，自组装过程通常伴随着聚集荧光淬灭，导致低的量子效率。自组装过程中聚集诱导发光分子的引入为同时实现高的量子效率和|glum|值提供了可行性。

可以预见的是，在微纳尺度上对CPL的研究必将加快CPL材料的开发及其应用的发展。

该综述文章以“ from micro-/nano-”为题在线发表在Light: & 。

本文第一作者为南京邮电大学博士生邓勇靖，通讯作者为赵强教授、黄维院士。

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