非互易性手性发光材料研究进展

非互易性手性发光材料通过简单的正反面翻转即可快速实现对圆偏振光的手性可逆切换, 因而在新型光电器件和高级光学防伪等领域具有广阔的应用前景. 迄今为止, 在圆偏振发射中观察到的非互易特性非常罕见, 对这一特性的研究为可调控手性发光材料的设计、制备和应用提供了新思路和借鉴意义. 本文主要以手性发光膜材料为研究对象, 从手性有机染料薄膜、手性液晶薄膜、手性聚合物薄膜以及复合手性膜器件等材料体系介绍了非互易性手性的概念、科学机制和研究领域, 并对非互易性手性发光材料面临的挑战和未来的重点研究方向进行了讨论.

手性结构和材料的开发一直是化学、材料、生物、医药及其交叉学科领域的研究前沿及热点. 探索和理解材料结构和手性光学功能之间的构效关系是实现手性光学器件理性设计和研发的基础. 近年来, 精准构筑新型手性功能结构并实现其在多领域的实际应用受到广泛关注. 例如, 具有圆偏振发光(CPL)特性的手性发光材料由于其独特的手性光学性质, 在3D显示、信息存储与加密、自旋信息通讯、CPL激光、光学生物成像和诊疗等领域具有广阔的应用前景而备受关注. 其中, 可切换手性发光材料在调节左右手光学活性或开/关手性方面具有优势, 已经成为诸多学科领域持续多年的前沿性研究热点. 然而, 在单一材料中, 特别是CPL柔性膜材料中, 尚缺乏实现手性自由切换和可调控的实例; 如何控制手性和研究手性转换的机制仍然是一项极具挑战性的课题. 同时, CPL信号的强弱与手性方向的控制对CPL材料的开发与应用均至关重要. 受限于自然界均手性, 如何从单向手性的构筑基元出发, 构建具有左右手性可调控的CPL固体膜材料具有重要的开发价值和应用前景, 有望在未来新型手性光电器件等领域发挥关键作用.

随着CPL材料的研究深入, 多色光/白光CPL、热激活延迟CPL、圆偏振室温磷光和圆偏振超长余辉材料等新型手性发光材料, 以及与之相关的光致CPL和电致CPL材料与器件呈现快速发展态势. 无论是从科学研究的角度, 还是基于应用前景的考虑, 构筑可切换或可调控的CPL材料都是该领域值得被重视的研究课题. 为了实现手性切换/反转, 科研工作者报道了众多令人瞩目的成果, 提出了许多切实可行的研究策略, 如基于手性固定策略的可切换CPL、旋转堆叠方法构筑的超强CPL材料、手性共组装调控下的CPL液晶材料、基于小分子手性液晶相介质(CLC)的光响应CPL材料的多模式调控、甚至是手性介观结构无机材料的研究等. 因此, 探索多样化的外部刺激和新型手性功能结构以实现对手性信号强弱和正负符号的精确和动态调控, 仍是未来获得智能CPL材料的努力方向之一. 但如何实现简单、低成本、高效的策略来构筑手性可逆切换的CPL膜材料, 仍然极具挑战性.

“非互易性圆偏振发射”(nonreciprocal circularlypolarized emission)材料为快速实现手性可逆切换提供了新途径, 该概念在2020年被意大利科学家Di Bari等首次提出; 如图1所示, 同一膜材料的正反两面能够发射相反手性的圆偏振光, 这类非互易性手性材料只需通过简单的薄膜翻转(将薄膜沿着光的传播方向翻转180°)即可快速实现圆偏振光的手性可逆切换, 因而在新型光电器件和高级光学防伪等领域具有广阔的应用前景. 科研工作者在早期研究中已报道了许多与非互易性手性/CPL相似的特性(如手性切换、手性反转、手性开关等), 但这类新型手性材料非互易性手性(同一材料正反面的手性可逆反转)的形成机制和科学规律等都还有待进一步系统探索. 鉴于柔性透明薄膜和器件广阔的应用前景, 可规模化制备的非互易性柔性手性发光薄膜具有重要的探索和应用价值. 本综述以典型的正反面手性/CPL可切换的非互易性膜材料为讨论主体, 综述这类新型材料的发展规律和研究现状, 丰富和提升我们对于非互易性手性材料的认识, 为构建新型手性发光器件提供借鉴意义.

图1 非互易性手性光学膜材料示意图

本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.