麻省理工Nat. Mater.：金屬有機框架中的三線態融合

導讀

單線態激子裂分和三線態激子對（TT）融合的反向過程是有機材料中獨特的自旋依賴性現象，其在光伏產業、生物醫學成像、光化學反應、有機發光器件和量子信息等領域具有潛在的應用。與需要高強度入射輻射的用于波長轉換的傳統非線性光學技術（如二次諧波）相比，激子裂分和融合可在不相干和低強度照明下在微型固態器件中運行。

激子裂分和融合都是將一個單線態（自旋零）激子偶聯到兩個三線態激子。例如，在裂分中，初始狀態是一個單線態激子。最終狀態是兩個獨立的三線態激子對，每個激子的能量大約是初始狀態的一半。激子裂分和融合過程由三線態激子對介導。三線態激子對的凈自旋可以是單線態，三線態或五重態。五重三線態激子對的特別之處在于它的總自旋為2。這在有機半導體中是不尋常的，部分原因是五重激子對通常無法從單線態基態進入，而五重激子的能量遠高于單線態或三線態。然而，由于三線態激子對狀態中的相互作用要弱得多，因此可以容易地進入三線態激子對狀態。因此，五重三線態激子對可促進激子裂分和融合。盡管五重態激子的重要性顯而易見，但它們的產生、維持和控制仍然具有挑戰性。迄今為止，五重三線態激子對狀態的研究需要非常大的磁場或低溫，這限制了五重三線態激子對在許多領域中的應用。

成果掠影

近日，美國麻省理工學院的Mircea Dinc?等人報道了一種通過晶體結構工程控制五重態動力學的途徑。該工作發現，多孔有序的結構極大地促進了單線態-五重態（SQ）共振混合，因為三線態間交換耦合較弱，激子跳躍緩慢。因此，基于三線態融合上轉換發射的磁場效應（MFE），該工作實現了在室溫下在僅0.14 T的低磁場下觀察到明顯的SQ共振。研究成果以題為“Exchange controlled triplet fusion in metal–organic frameworks”發表在國際著名期刊Nature Materials上。

數據概覽

圖1. 三線態激子對融合過程的自旋動力學和實現單線態-五重態（SQ）耦合的策略。? 2022 Springer Nature

圖2. 磁場效應（MFE）在三線態激子對交換耦合期間對三線態激子對特征態能量和三線態融合速率的影響。? 2022 Springer Nature

圖3. NU-1000和NU-901的部分結構示意圖及其光物理性質。? 2022 Springer Nature

圖4. 磁場效應對上變頻發射的影響。? 2022 Springer Nature

成果啟示

該工作通過NU-1000中的SQ TT態共振表明，與分子和聚合物的對應物相比，金屬有機框架（MOFs）能夠精確地設計交換耦合和自旋動力學。因此，MOFs為受控訪問和耦合五重態提供了有效的方法。該結果還表明，MOFs的非常規結構和巨大的結構和組成可調諧性為闡明多激發過程的詳細機制提供了一個令人信服的解釋。

原文鏈接

Ha, DG., Wan, R., Kim, C.A. et al. Exchange controlled triplet fusion in metal–organic frameworks. Nat. Mater. (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01368-1

本文由我亦不離去供稿。