Forbedring af faststof-phosphorescens i π-elektroniske molekyler

Fotoluminescerende molekyler, der er i stand til at absorbere og genudsende lys, spiller en vigtig rolle i udviklingen af ​​teknologier som lysemitterende dioder, sensorer og skærme. Blandt dem skiller ordnede arrangementer af π-elektroniske molekyler, såsom krystaller af organoplatin(II)-komplekser, hvor en platin(II)-ion er koordineret af organiske ligander i et kvadratisk-planarrangement, ud for deres anvendelser i energieffektive fleksible skærme .

Imidlertid er deres luminescens i fast tilstand kortvarig på grund af interaktionen mellem excitoner (bundne elektron-hul-par) af nabomolekyler. For at løse dette problem indføres voluminøse fremmede molekyler i molekylstrukturen for at forhindre eller minimere den elektroniske interaktion mellem molekyler.

Ved hjælp af denne strategi forbedrede et forskerhold ledet af professor Hiromitsu Maeda fra Ritsumeikan University, Japan, for nylig faststof-phosphorescensen i flere organoplatin(II)-komplekser, hvilket øgede fosforescensen med op til 75 gange.

"Rumligt og elektronisk isoleret ordnet arrangement af emissive π-elektroniske molekyler er et hovedpunkt for fremstillingen af ​​emissive faststofmaterialer. Dette koncept kan bruges i materialer til organisk elektronik, især organiske lysemitterende dioder til fleksible skærme," forklarer Prof. Maeda.

I deres undersøgelse offentliggjort i Chemical Science den 5. december 2023 syntetiserede forskerholdet dipyrrolyldiketon Pt ^II komplekser bestående af fire forskellige C^N-ligander. Disse molekyler viser stærk phosphorescens i opløsning, men viser ekstremt svag phosphorescens i fast tilstand på grund af selvassociering.

For at forbedre deres lysstyrke i fast tilstand introducerede teamet ionpar bestående af en chloridanion og tetraalkylammonium modkationer:TPA ⁺ (tetrapropylammonium), TBA ⁺ (tetrabutylammonium) og TPeA ⁺ (tetrapentylammonium). Dette resulterede i ionparrende samlinger bestående af chloridion-bindende Pt ^II komplekser og modkationer.

Chloridionerne binder til Pt ^II kompleks via hydrogenbindinger, mens kationerne danner lag mellem de π-elektroniske molekyler. Røntgenanalyse bekræftede kompleksets stive struktur, hvor Pt ^II komplekser er adskilt af kationer i ladning-for-ladning arrangementer.

Ved at isolere de π-elektroniske molekyler fra hinanden forbedrede forskerne de luminescerende egenskaber af organoplatin(II)-komplekserne i fast tilstand. Sammenlignet med de oprindelige anionfrie tilstande, hvor komplekset ikke er bundet til chloridionen, er den relative intensitet af phosphorescens i Cl ⁻ -binding Pt ^II komplekser med kationer viste forbedringer fra 1 % til 7,5 %, en 75-fold stigning i forhold til det oprindelige molekyle.

Luminescensen varer også betydeligt længere, idet visse ionparrende samlinger opnår en emissionslevetid næsten 200 gange længere end den monomere Pt ^II kompleks. Teoretiske undersøgelser ved hjælp af DFT-beregninger afslørede, at ladning-for-ladning pakningsstrukturen forhindrer delokalisering af elektronbølgefunktionen over Pt ^II komplekser.

"Så vidt vi ved, er en sådan phosphorescensforøgelse ved stuetemperatur ved anionbinding og ionparringssamling ikke blevet påvist indtil videre," bemærker prof. Maeda.

En sådan strategi kan bruges til at designe emissive materialer og forbedre phosphorescensen af ​​faststofmaterialer til nye anvendelser.

"Kemien ved ionparring af ladede π-elektroniske molekyler er et nyt emne inden for et forskningsområde inden for supramolekylær kemi. Forståelse af interaktionerne mellem ladede arter og dannelsen af ​​samlede strukturer gennem forskning vil påvirke i et yderligere design og fremstilling af funktionelle ion-parrende samlinger såsom effektive elektrisk ledende materialer, ferroelektriske materialer og chiral overførsel i ionpar og ion-parrende samlinger, der udviser fascinerende optiske egenskaber," konkluderer Prof. Maeda.

Flere oplysninger: Yohei Haketa et al., Forbedret faststofphosphorescens af organoplatin π-systemer ved ion-parring, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC04564A

Leveret af Ritsumeikan University