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Angew. Chem. : 具有近紫外激发100% PLQY和高效X射线闪烁性能的(MePh3P)2CuI3的研究

近年来,有机-无机杂化金属卤化物作为新一代光电材料被广泛应用于太阳能电池、固态照明、防伪和光电探测器等领域。多功能有机组分赋予杂化金属卤化物更多的可能性以实现结构和光学性质的调节,例如,打破结构的对称性获得倍频(SHG)响应。


在杂化金属卤化物中,环境友好的铜(Ⅰ)基金属卤化物因其优越的光致发光性能和显著的结构多样性而受到研究人员的广泛关注和积极研究。然而,其进一步发展至少面临以下两个有待解决的问题: (Ⅰ)目前具有高能发射(< 500 nm)的铜卤化物的PL激发峰主要集中在UVB和UVC (< 320 nm)波段,因此需要昂贵的UV LED芯片,限制了其进一步的实际光电应用。(Ⅱ)近紫外(NUV)激发青色发射且具有高效二阶非线性光学(NLO)性能的杂化卤化铜尚未见报道。此外,构建具有NLO和PL性能的铜基金属卤化物在信息安全和其他应用方面具有广阔的前景。因此,获得具有近紫外(NUV)激发高能发射和优异NLO性能的铜基金属卤化物具有重要意义。基于上述的研究背景下,扬州大学化学化工学院郭胜平教授团队吴佳静博士在无惰性气体保护下通过溶剂蒸发法直接合成了一对由[MePh3P]+与[CuI3]2‒组装的同分异构体α-(MePh3P)2CuI3和β-(MePh3P)2CuI3 (MePh3+ = (C6H5)3CH3P+),分别表现出蓝色和青色发光,激发光谱覆盖整个紫外线区域。令人印象深刻的是,β-(MePh3P)2CuI3具有NUV激发的近100% PLQY和相位匹配的倍频响应。此外,β-(MePh3P)2CuI3的超低检出限仅为X射线医学诊断标准(5.5 μGy/s)的0.87%。


α-(MePh3P)2CuI3和β-(MePh3P)2CuI3分别结晶于中心对称空间群P21/c和非中心对称空间群P21。其中,0D α-(MePh3P)2CuI3由规则的[CuI3]2‒平面三角形和反平行排列的[MePh3P]+有机部分组成。与α-(MePh3P)2CuI3不同的是,0D β-(MePh3P)2CuI3中含有扭曲的[CuI3]2‒平面三角形和交错的有机排列,使得β-(MePh3P)2CuI3更倾向于形成非中心对称结构。



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图1. α-(MePh3P)2CuI3和β-(MePh3P)2CuI3的结构。

在365 nm紫外光激发下,α-(MePh3P)2CuI3在475 nm处呈现亮蓝色发射峰,β-(MePh3P)2CuI3在495 nm处发出青色发射峰。重要的是,二者的最佳激发波长分别位于365和375 nm。与最近报道的发射波长为420 ~ 520 nm的杂化卤化铜相比,α-/β-(MePh3P)2CuI3具有更宽的激发带,覆盖了整个UV - NUV区域。这种独特的光学性质使其成为有前途的高性能荧光粉,不仅可以减少有害蓝光,还能有效补偿青光的缺失,提高色彩的鲜艳度。

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图2. α-(MePh3P)2CuI3和β-(MePh3P)2CuI3的光致发光性质。

作者使用Kurtz-Perry粉末方法对β-(MePh3P)2CuI3的NLO性质进行了评估。在1064 nm激光照射下,随着颗粒尺寸的增大,SHG强度增大,表明β-(MePh3P)2CuI3具有相位匹配的NLO特性,SHG效应约为0.54倍KDP。此外,β-(MePh3P)2CuI3的抗激光损伤阈值(LIDT)为61.68 mw/cm2,是AGS (7.97 mw/cm2)的7.74倍。

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图3. β-(MePh3P)2CuI3的非线性光学性质。

β-(MePh3P)2CuI3的辐射发光(RL)光谱显示出位于495 nm处的发射峰,其形状和位置与PL光谱相同(图4a),在X射线激发下的光产率为16193光子/MeV,超低检测限为47.97 μGy/s,这样的检出限仅为X射线医学诊断(5.5 μGy/s)的0.87%,可以在诊断过程中大大降低对人类的辐射风险。

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图4. β-(MePh3P)2CuI3作为X射线闪烁体的应用。

这项工作报道了具有近紫外光激发的高效青色发射、相位匹配的SHG响应和低X射线闪烁检测限的杂化铜基金属卤化物,不仅促进了固态照明、激光变频和X射线成像的发展,还为构建多功能杂化金属卤化物提供了参考。

文信息

Near Ultraviolet-Excitable Cyan-Emissive Hybrid Copper(I) Halides Nonlinear Optical Crystals with Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and High-Efficiency X-ray Scintillation

Jing-Li Qi, Yue Guo, Dr. Jiajing Wu, Qiao-Feng Huang, Jun-Jie Xu, Shu-Fang Yan, Prof. Wenlong Liu, Prof. Sheng-Ping Guo


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202407074




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