硼酸的长寿命室温磷光性质研究

作     者：郑皓月 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴鹏

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：室温磷光 硼 孤对电子 电子云共轭 发光机理 

摘      要：磷光是一种长寿命的光致发光过程,可以有效地消除背景荧光和杂散光的影响,获得较高的信噪比。因此,磷光现象在分析化学领域备受关注,尤其是室温磷光(RTP)分析法,经过近50年的发展,已经成为了一种极具潜力的光谱分析手段。此外,磷光材料在光伏器件、分子传感、生物成像以及显示与照明等领域也具有非常广泛的应用前景。过渡金属配合物是目前主流的磷光材料,其发光性能优异。然而,此类化合物合成较为复杂且成本较高,且金属离子毒性较高、,因而限制了其在诸多领域的应用。近年来,具有长寿命磷光发射的纯有机化合物成为磷光材料领域的研究热点。理论上,此类材料具有结构调节性高、成本低以及生物相容性好等优点,是磷光成像及磷光分析的理想试剂。然而,由于较弱的系间窜越过程(ISC),同时三重激发态容易通过分子振转运动或与氧气发生猝灭等非辐射过程失活,纯有机化合物本征磷光性质较弱。因此,深入探究纯有机磷光体系的发光机理,并以此为基础开发新型室温磷光材料,对推动纯有机室温磷光(ORTP)的发展及其在磷光分析领域的应用,意义重大。在探索纯有机磷光体的过程中,我们首次发现硼酸(BA)在室温条件下能产生肉眼可见、长达数秒的磷光。此前,研究学者们报道了若干纯有机芳香硼酸磷光体,硼在其中主要用于产生吸电作用或稳定分子构型等。但是,硼酸的本征磷光发射尚无报道。根据实验和理论计算,我们推测硼酸的磷光发射来自于结构中O原子未成对电子的弱共轭效应。此外,不同于其它纯有机磷光体,B原子的空轨道可以起到增强体系电子云共轭的作用。进一步晶体结构和形态分析表明:固体硼酸中强烈的分子间相互作用和紧密的分子堆积,也是产生长寿命发光的一个重要因素。更为重要的是,B-N,B-F体系也都具有类似的RTP性质,且发光能力遵循FON的趋势,即与F、O、N的外层电子密度正相关。因此,本论文不仅揭示了硼酸及其一系列衍生物的RTP现象,并通过理论计算和结构拓展,总结了B-N/O/F体系中分子结构与磷光性质之间的构效关系。这一研究结果表明:对部分元素的本征电子特征和轨道信息的重新审视,有助于加深我们对纯有机磷光发光机理的认识,并为构建高效RTP材料提供新的设计策略。同时,该研究对促进硼化学的发展也具有一定的理论价值。