基于圆偏振发光材料的应用探索

圆偏振发光材料具有特殊的旋光性, 在光电器件、信息安全、3D显示等领域具有广阔的应用前景. 传统的圆偏振发光材料一般存在发光不对称因子较低、合成复杂、可加工性不足等问题, 在实际应用中严重受限. 作为一种准一维光子晶体, 胆甾相液晶具有周期性螺旋结构和手性放大功能, 为提高圆偏振发光材料的不对称因子提供了可能. 本文系统介绍了中国科学技术大学庄涛涛课题组基于手性液晶材料构筑的一系列高性能圆偏振发光结构体系及其在信息交互领域的应用探索.

手性在自然界和生命体系中广泛存在, 对化学、生物学、医学和药理学等众多学科领域具有重要意义. 手性物质具有独特的光学特性, 可产生偏振方向会随着时间的变化而改变的光, 其中电矢量的末端轨迹为圆形的光称为圆偏振光. 与自然光和线偏振光相比, 圆偏振光具有特殊的偏振性质并携带自旋角动量, 在光电器件、偏振信息加密、智能传感、3D显示等领域具有重要的应用价值.

传统的圆偏振光一般是通过物理方式获得, 即自然光通过线偏振片转化为线偏振光, 再经过1/4波片, 发射出左旋或右旋圆偏振光. 该类物理构筑方式存在严重的能量损耗, 并且需要组装额外的光学元件, 不利于器件的集成化. 1948年,Samoilov在手性锕系配合物(铀酰乙酸钠)晶体中检测到圆偏振光信号, 该发现为获取圆偏振光开辟了一种新思路. 通过手性发光材料直接发射圆偏振光(即圆偏振发光, circularly polarized luminescence,CPL), 可以有效降低光的能量损耗.

评价CPL性能的关键指标是发光不对称因子(glum = 2(IL−IR)/(IL+IR), IL和IR分别代表左旋和右旋CPL的强度). 当不对称因子glum为+2或−2时, 代表纯左旋或右旋CPL. 在纯有机材料体系中, 一般通过共价键将手性基团连接到发色团上以制备CPL材料, 但由于有机小分子较小的磁偶极跃迁, 导致该类结构的glum值较低; 在无机材料体系中, 可以通过合成具有本征手性的无机纳米结构或通过手性配体的表面修饰来实现CPL性能, 但也存在glum值和荧光量子效率较低的问题, 极大地限制了CPL材料的应用和发展.

液晶是一种既具有液体的流动性, 又具有晶体的有序性的物质状态,所以在某个温度范围内兼有液体和晶体特性. 其中, 胆甾相液晶(cholesteric liquid crystals, CLCs)可由向列相液晶加入手性掺杂剂转化而成, 其分子排列呈独特的超螺旋结构, 表现出明显的旋光性和圆二色性. 作为准一维光子晶体, CLCs为放大材料的手性, 提高glum值提供了新策略.

中国科学技术大学庄涛涛课题组基于CLCs的螺旋自组装和有机-无机复合策略, 构筑了一系列高性能的CPL材料体系, 并系统总结了该类材料的功能化加工和物理形态的调控方式, 深入探究了CPL材料在信息交互领域的功能化应用.

本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.