國家納米科學中心 Adv. Mater. 報道：電場調控的手性液晶中的能量轉移用于增強上轉換圓偏振發光

【背景介紹】

近年來，一種基于反斯托克斯（anti-Stokes）位移的圓偏振發光（CPL）現象，即上轉換圓偏振發光（UC-CPL），受到了廣泛的關注。基于不同發光機制的UC-CPL已經被一一報道，然而目前所得到的發光不對稱因子(g_lum)普遍較低，所以尋找一種能夠提升UC-CPL的發光不對稱因子，并兼具良好發光效率的方法，已經成為上轉換圓偏振發光領域最重要的問題。在多種手性材料中，手性向列相液晶（N*LC）已經被證明能夠實現具有高g_lum值的CPL，并且在手性光學成像、光學器件、溫度傳感器等方面表現出優異的性能。一般來說，將手性分子摻入到向列型液晶中就能夠獲得N*LC，并且通過改變摻雜比例就能夠靈活地調節N*LC的光子禁帶。通過與發色團的發光相重疊，光子禁帶經常被用于獲得具有高g_lum值的CPL。然而，由于N*LC具有獨特的圓二色性（即選擇性地反射同手性的圓偏振光），因此通過這種方式獲得的CPL的發射強度會被嚴重抑制。因此，對于具有圓偏振發光性能的N*LC來說，如何同時兼具高g_lum值和高發光效率是非常關鍵的問題。

【成果簡介】

基于此，中科院國家納米科學中心（NCNST）的段鵬飛研究員（通訊作者）團隊發現將上轉換納米粒子（UCNPs）和鈣鈦礦納米晶（CsPbBr₃）分散到N*LC中，通過粒子間發生的能量轉移過程，能夠實現g_lum數值高達1.1的上轉換圓偏振發光（圖一）。在這個過程中，CsPbBr₃的發光恰好位于光子禁帶的中心，因此獲得的上轉換圓偏振光具有最高的g_lum值。更重要的是，UCNPs的發光由于處在光子禁帶的邊緣而被顯著增強，并且能夠通過輻射能量轉移過程進一步增強CsPbBr₃的發光。這種設計有效地克服了光子禁帶中心對發光的抑制，使得CsPbBr₃的上轉換圓偏振發光在具備高g_lum值的同時還具有較強的發光強度。此外，CsPbBr₃的上轉換圓偏振發光和能量轉移過程都能夠通過電場和外力進行調控。研究成果以題為“Electric-Field-Regulated Energy Transfer in Chiral Liquid Crystals for Enhancing Upconverted Circularly Polarized Luminescence through Steering the Photonic Bandgap”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上，第一作者為國家納米科學中心博士研究生楊雪峰。

【圖文解讀】

圖一、CsPbBr₃和UCNPs在手性向列相液晶中發生輻射能量轉移過程的示意圖

圖二、CsPbBr₃ 納米晶在N*LC中的發光
（a）光子禁帶對CsPbBr₃納米晶發光影響的示意圖；

（b）N*LC的反射光譜和CsPbBr₃納米晶的發射光譜；

（c）CsPbBr₃納米晶在N*LC中的圓偏振發光光譜；

（d）N*LC中的CsPbBr₃納米晶位于不同電場下的圓偏振發光光譜；

（e）N*LC在不同電場下的反射光譜。

圖三、CsPbBr₃ 納米晶在液晶中的上轉換發光性能
（a）CsPbBr₃/UCNPs在液晶中的上轉換發射光譜；

（b）CsPbBr₃納米晶上轉換發光的雙對數點圖；

（c）液晶中的UCNPs在有、無CsPbBr₃納米晶條件下的歸一化上轉換發射光譜；

（d）CsPbBr₃納米晶在N*LC中時間分辨的上轉換發射光譜；

（e）CsPbBr₃納米晶和UCNPs在不同比例下的壽命變化；

（f）CsPbBr₃納米晶和UCNPs在手性和非手性向列相液晶中的上轉換發射光譜。

圖四、CsPbBr₃ 納米晶在N*LC中的上轉換圓偏振發光性能
（a）CsPbBr₃和UCNPs在N*LC中發生輻射能量轉移的示意圖；

（b）CsPbBr₃和UCNPs在N*LC中的上轉換圓偏振發光光譜；

（c）CsPbBr₃在不同電場下的上轉換圓偏振發光光譜；

（d）電場和外力調控的上轉換圓偏振發光開關。

圖五、電場和外力調控的輻射能量轉移過程
（a）0 V時，CsPbBr₃納米晶和UCNPs在手性液晶中發生能量轉移的示意圖；

（b）0 V時，偏光顯微鏡照片及樣品發光照片；

（c）0 V時，上轉換發光光譜；

（d）100 V時，CsPbBr₃納米晶和UCNPs在手性向列相液晶中發生能量轉移的示意圖；

（e）100 V時，偏光顯微鏡照片及樣品發光照片；

（f）100 V時，上轉換發光光譜。

【小結】

綜上所述，該團隊通過將CsPbBr₃納米晶和UCNPs摻入到手性向列相液晶中，首次實現了基于能量轉移過程的UC-CPL。通過調節手性向列相液晶的光子禁帶，獲得了最大g_lum值為1.1的CsPbBr₃納米晶的上轉換圓偏振發光；同時，通過能量轉移過程克服了光子禁帶對發光的抑制。此外，CsPbBr₃納米晶的上轉換圓偏振發光和能量轉移過程被證實都能夠通過電場和外力進行調控。總之，該工作不僅提供了一種獲得UC-CPL的新策略，而且首次展示了通過調節光子禁帶實現具有高g_lum值的UC-CPL。

文獻鏈接：Electric-Field-Regulated Energy Transfer in Chiral Liquid Crystals for Enhancing Upconverted Circularly Polarized Luminescence through Steering the Photonic Bandgap.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000820）

本文由CQR編譯。

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