臺大化學(xué)系利用超分子化學(xué)揭開激發(fā)錯合物結(jié)構(gòu)的神秘面紗

有機發(fā)光二極體(organic light-emitting diode, OLED)顯示器已應(yīng)用在手機、電腦以及電視上。然而，目前使用含銥金屬的放光材料，使OLED顯示器的製作成本居高不下，因此開發(fā)低成本、高效率的純有機放光材料勢在必行。其中，可以放出熱活化延遲螢光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)的有機材料最受矚目，這種螢光特性能大幅提升電能轉(zhuǎn)為光能的效率，達成高效率的OLED元件，極具商業(yè)應(yīng)用潛力。除了利用繁瑣路徑合成的有機分子可以有此特性，更簡易地利用具有給電子特性的分子(donor, D)與可以接受電子的分子(acceptor, A)進行物理性混摻的混合物，在光激發(fā)下由D到A進行電荷轉(zhuǎn)移所形成的激發(fā)錯合物(exciplex)，也可以放出TADF。但科學(xué)家一直無法得知exciplex的實際分子結(jié)構(gòu)，使得進行exciplex結(jié)構(gòu)跟放光特性的關(guān)聯(lián)性研究甚為困難，大大限制exciplex的研究發(fā)展。

為了解決此問題，臺大化學(xué)系教授汪根欉與周必泰研究團隊利用具有缺電子特性的分子設(shè)計，合成出高度對稱的籠狀分子(Trz-cage)，這個籠狀分子中心的空間可以用來捕捉具有給電子性質(zhì)的分子(TrMe)形成包合(inclusion)的超分子結(jié)構(gòu)(TrMe@Trz-cage)。透過晶體結(jié)構(gòu)的解析，得知兩個分子之間詳細排列的結(jié)構(gòu)與距離，這種緊緊鑲嵌包合的交互作用，使D/A混合物在基態(tài)及激發(fā)態(tài)的光物理特性研究得以實現(xiàn)，並順利獲得exciplex在基態(tài)生成的熱力學(xué)物理參數(shù)。

研究團隊更發(fā)現(xiàn)，焓(enthalpy)不利於分子間的交互作用，但靠一個D分子擠出原本在籠狀分子中的三個溶劑分子，使反應(yīng)的熵(entropy)增加進而驅(qū)動包合物的生成。此結(jié)果說明先前利用D/A混合物來開發(fā)exciplex的研究在焓與熵的雙重不利條件下，無法形成一個穩(wěn)定的基態(tài)，因此無法徹底研究exciplex的結(jié)構(gòu)與形成條件。研究團隊可以簡單地利用坎入不同電子特性的D分子來調(diào)控所形成的包合超分子結(jié)構(gòu)的放光顏色，展現(xiàn)出此新體系的多樣性，並使探知其受光激發(fā)後的光物理特性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性更為精確。

此研究突破性的進展，掙脫先前無法得知exciplex分子間交互作用的枷鎖，為日後exciplex在有OLED的應(yīng)用奠下重要的基礎(chǔ)，點亮臺大在世界放光材料研究舞臺上的關(guān)鍵角色，可望改善現(xiàn)行OLED的明亮度與成本。研究成果已在國際頂尖旗艦期刊《自然-化學(xué)》Nature Chemistry發(fā)表。

論文連結(jié)：https://www.nature.com/articles/s41557-023-01357-0