国家纳米科学中心 Adv. Mater. 报道：电场调控的手性液晶中的能量转移用于增强上转换圆偏振发光

【背景介绍】

近年来，一种基于反斯托克斯（anti-Stokes）位移的圆偏振发光（CPL）现象，即上转换圆偏振发光（UC-CPL），受到了广泛的关注。基于不同发光机制的UC-CPL已经被一一报道，然而目前所得到的发光不对称因子(g_lum)普遍较低，所以寻找一种能够提升UC-CPL的发光不对称因子，并兼具良好发光效率的方法，已经成为上转换圆偏振发光领域最重要的问题。在多种手性材料中，手性向列相液晶（N*LC）已经被证明能够实现具有高g_lum值的CPL，并且在手性光学成像、光学器件、温度传感器等方面表现出优异的性能。一般来说，将手性分子掺入到向列型液晶中就能够获得N*LC，并且通过改变掺杂比例就能够灵活地调节N*LC的光子禁带。通过与发色团的发光相重叠，光子禁带经常被用于获得具有高g_lum值的CPL。然而，由于N*LC具有独特的圆二色性（即选择性地反射同手性的圆偏振光），因此通过这种方式获得的CPL的发射强度会被严重抑制。因此，对于具有圆偏振发光性能的N*LC来说，如何同时兼具高g_lum值和高发光效率是非常关键的问题。

【成果简介】

基于此，中科院国家纳米科学中心（NCNST）的段鹏飞研究员（通讯作者）团队发现将上转换纳米粒子（UCNPs）和钙钛矿纳米晶（CsPbBr₃）分散到N*LC中，通过粒子间发生的能量转移过程，能够实现g_lum数值高达1.1的上转换圆偏振发光（图一）。在这个过程中，CsPbBr₃的发光恰好位于光子禁带的中心，因此获得的上转换圆偏振光具有最高的g_lum值。更重要的是，UCNPs的发光由于处在光子禁带的边缘而被显著增强，并且能够通过辐射能量转移过程进一步增强CsPbBr₃的发光。这种设计有效地克服了光子禁带中心对发光的抑制，使得CsPbBr₃的上转换圆偏振发光在具备高g_lum值的同时还具有较强的发光强度。此外，CsPbBr₃的上转换圆偏振发光和能量转移过程都能够通过电场和外力进行调控。研究成果以题为“Electric-Field-Regulated Energy Transfer in Chiral Liquid Crystals for Enhancing Upconverted Circularly Polarized Luminescence through Steering the Photonic Bandgap”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上，第一作者为国家纳米科学中心博士研究生杨雪峰。

【图文解读】

图一、CsPbBr₃和UCNPs在手性向列相液晶中发生辐射能量转移过程的示意图

图二、CsPbBr₃ 纳米晶在N*LC中的发光
（a）光子禁带对CsPbBr₃纳米晶发光影响的示意图；

（b）N*LC的反射光谱和CsPbBr₃纳米晶的发射光谱；

（c）CsPbBr₃纳米晶在N*LC中的圆偏振发光光谱；

（d）N*LC中的CsPbBr₃纳米晶位于不同电场下的圆偏振发光光谱；

（e）N*LC在不同电场下的反射光谱。

图三、CsPbBr₃ 纳米晶在液晶中的上转换发光性能
（a）CsPbBr₃/UCNPs在液晶中的上转换发射光谱；

（b）CsPbBr₃纳米晶上转换发光的双对数点图；

（c）液晶中的UCNPs在有、无CsPbBr₃纳米晶条件下的归一化上转换发射光谱；

（d）CsPbBr₃纳米晶在N*LC中时间分辨的上转换发射光谱；

（e）CsPbBr₃纳米晶和UCNPs在不同比例下的寿命变化；

（f）CsPbBr₃纳米晶和UCNPs在手性和非手性向列相液晶中的上转换发射光谱。

图四、CsPbBr₃ 纳米晶在N*LC中的上转换圆偏振发光性能
（a）CsPbBr₃和UCNPs在N*LC中发生辐射能量转移的示意图；

（b）CsPbBr₃和UCNPs在N*LC中的上转换圆偏振发光光谱；

（c）CsPbBr₃在不同电场下的上转换圆偏振发光光谱；

（d）电场和外力调控的上转换圆偏振发光开关。

图五、电场和外力调控的辐射能量转移过程
（a）0 V时，CsPbBr₃纳米晶和UCNPs在手性液晶中发生能量转移的示意图；

（b）0 V时，偏光显微镜照片及样品发光照片；

（c）0 V时，上转换发光光谱；

（d）100 V时，CsPbBr₃纳米晶和UCNPs在手性向列相液晶中发生能量转移的示意图；

（e）100 V时，偏光显微镜照片及样品发光照片；

（f）100 V时，上转换发光光谱。

【小结】

综上所述，该团队通过将CsPbBr₃纳米晶和UCNPs掺入到手性向列相液晶中，首次实现了基于能量转移过程的UC-CPL。通过调节手性向列相液晶的光子禁带，获得了最大g_lum值为1.1的CsPbBr₃纳米晶的上转换圆偏振发光；同时，通过能量转移过程克服了光子禁带对发光的抑制。此外，CsPbBr₃纳米晶的上转换圆偏振发光和能量转移过程被证实都能够通过电场和外力进行调控。总之，该工作不仅提供了一种获得UC-CPL的新策略，而且首次展示了通过调节光子禁带实现具有高g_lum值的UC-CPL。

文献链接：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编译。

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