圆偏振发光材料的尺寸效应 | NSR

在手性材料的研发中，常常采用电镜、旋光仪或其他光谱方法来分析和讨论材料的手性或不对称性。随着圆偏振光（CPL）光谱技术的不断发展，CPL光谱已成为表征发光材料手性的重要技术手段。研究表明，除了手性结构可以诱导CPL发光外，非手性有序结构也可以对CPL信号产生显著影响。这些非手性结构对CPL信号的影响主要体现在微观或宏观颗粒尺度上，很难通过简单通用的宏观测量方法来表述其对CPL信号的影响。

最近，华东理工大学田禾院士、马骧教授课题组基于偏振光和分子自发辐射领域的研究成果，通过设计实验，建立了基于有序介质尺寸效应的模型，量化了介质有序性对材料自发辐射CPL信号的影响。与分子潜在的手性激发态诱导的CPL发射相比，有序介质的尺寸效应对发光材料的CPL信号的影响同样不容忽视。研究还发现，CPL测量中的测量熵是决定CPL信号各向同性和各向异性的主导因素。

图1. 圆偏振发光材料的尺寸效应。展示了基于标量理论的尺度效应模型的示意图。

L为均匀介质中的传输距离（各向异性尺度），R为尺寸效应的临界尺度。当L≪R时，介质各向异性对CPL信号的影响可以忽略不计；在其他条件下，需要考虑介质各向异性对CPL信号的影响。基于标量理论的尺寸效应模型不仅可以为非手性材料手性组装诱导CPL发射现象提供解释，同时可以证明互为镜像的手性螺旋组装结构介质的尺寸效应可以诱导符号相反且强度相等的CPL信号。

CPL和线偏振光（LPL）的区别在于它们电矢量之间的相位差异。研究人员发现，在实验中测量到的CPL信号主要是一般的椭圆偏振光信号中的CPL成分。这表明，当辐射材料自发地辐射偏振光时，各向异性和各向同性信号之间的差异非常小。通过测量熵的方法，可以解释这种现象，并建立一个简化的图示来帮助理解测量熵的概念。当测量熵较小时，测得的CPL信号为各向异性，CPL信号的大小取决于相应椭圆的长轴和短轴；当测量熵较大时，测得的CPL信号为各向同性。

图2. 测量熵的简化图示。展示了对于许多EPL的叠加状态，它们代表了一个各向异性的测量特性，取决于相应椭圆的长轴和短轴。当测量熵很大时，各向同性的测量特性可以代表这种情况。

引入宏观各向异性产生所产生的CPL信号 在这项研究中，作者开发了一种高度通用的策略来研究具有可控CPL发射波长和可控信号的CPL自发辐射材料，并引入了各向异性来影响CPL信号。作者使用薄膜拉伸法（PVA薄膜）引入宏观各向异性，并通过不同的发光机制材料来讨论宏观各向异性对CPL信号的影响，包括微观分散和微观聚集状态。未经处理的PVA薄膜没有CPL信号。研究人员使用罗丹明B、CdSe量子点、聚集诱导发光染料四苯基乙烯（TPE）和钙钛矿发光膜等材料来验证这一策略，并发现制备出的材料普遍具有CPL信号，发光机制对CPL信号的产生没有影响。

图3. 薄膜拉伸法（PVA薄膜）。展示了各向异性环境诱导发光材料的可调谐CPL信号。第一列：RhB@PVA薄膜的CPL光谱；第二列：量子点@PVA薄膜的CPL光谱；第三列：掺杂摩尔浓度不同的TPE@PVA薄膜的CPL光谱；第四列：在探测器与钙钛矿基发光薄膜之间的光路中加入各向异性透明PVA薄膜的CPL光谱；第五列：不同浓度的手性联萘酚衍生物的二氯甲烷溶液的CPL光谱。

该研究以“Scale-effect of Circular Polarized Luminescent Signal of Matter”为题发表在National Science Review上，文章的通讯作者为华东理工大学马骧教授，第一作者为博士生孙思宇和副教授李晓林，得到了田禾院士和Feringa教授的悉心指导。