近日，西北工业大学黄维院士、刘小网教授在有机室温磷光领域取得新研究进展，在有机小分子掺杂的SiO₂ 纳米微粒中观察到了来自缺陷态能级的发光，并深入探究了缺陷态能级在调控长余辉发光中的作用。研究成果以“Matrix-induced defects and molecular doping in the afterglow of SiO₂ microparticles”为题发表在高水平学术期刊—Nature Communications（《自然·通讯》）上。

图 a） 缺陷与分子在SiO₂ 微球（SiO₂ MPs）中的结构分布示意图；b）发光分子与缺陷态之间的能量传递示意图；c） 4-苯基吡啶掺杂的SiO₂ MPs的TEM图像；d）4-苯基吡啶掺杂的SiO₂ MPs在水中的余辉现象；e）4-苯基吡啶掺杂的SiO₂ MPs与无掺杂SiO₂ MPs的瞬态与稳态发射光谱对比；f）有无4-苯基吡啶掺杂SiO₂ MPs余辉寿命对比；g）激发波长依赖的4-苯基吡啶掺杂SiO₂ MPs的稳态发射光谱。

研究掺杂体系中掺杂分子与基质材料的相互作用对实现掺杂分子的长余辉发光调控具有重要意义。SiO₂ 是一类重要的基质材料，富含硅羟基与自身刚性能够抑制内部发色团的振动，高效激活掺杂分子的室温磷光，但其中的缺陷对掺杂分子长寿命发光的影响规律仍不明确。本工作中，我们利用水热条件下的“假晶”转变，实现小分子（如4-苯基吡啶、4,4'-联吡啶和1,4-双（吡啶-4-基）苯）对单分散SiO₂ 微球的掺杂，研究表明水热反应还有利于SiO₂中发光缺陷的形成，使其与掺杂分子发生能量作用。具体来说，4-苯基吡啶掺杂导致荧光和余辉分别提高了227倍和271倍，且产物微粒的余辉寿命相较于未掺杂的提高了3711倍。当切换不同波长的激发时，我们观察到并记录了来自分子掺杂剂和SiO₂缺陷的混合态的发光，提出激发响应性的余辉颜色变化来自分子掺杂剂与缺陷态之间在单重态和三重态中的能量转移。本工作中“假晶”转换策略的优势在于产物颗粒能够基本保留起始颗粒的单分散与形貌特征，用具有长余辉发光性质的SiO₂ MPs构筑光子晶体时，在保持角度依赖性结构色性质的同时，可产生激发依赖的余辉发光。基于缺陷态辅助的多重余辉发光，可以促进多尺度光学平台的构建，为信息安全提供新的解决方案，具有重要的潜在应用价值。

这一突破性进展的相关实验的主要完成者是论文的第一作者西北工业大学柔性电子研究院在读博士陈雪，通讯作者为西北工业大学刘小网教授和黄维院士。大连理工大学武素丽教授，西北工业大学吴忠彬教授、徐巍栋教授，与韩国成均馆大学Yung Doug Suh教授参与了此项研究。这一工作得到国家自然科学基金面上项目和陕西省重点研发计划项目的支持。全文连接如下：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51591-4。

(文字：陈雪 审核：王学文）