Lanthanide-nanokristallen verhelderen moleculaire triplet-excitonen

NUS-wetenschappers hebben een benadering ontwikkeld om de generatie en luminescerende oogst van moleculaire tripletten te verbeteren door ze te koppelen aan met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes. Deze innovatie biedt nieuwe inzichten in de interactie tussen lanthanide nanokristallen en moleculen in het opto-elektronische veld.

Het genereren, regelen en overdragen van triplet excitonen (gebonden elektron-gat paren) in moleculaire en hybride systemen is een onderwerp van groot belang in verschillende disciplines, van fysica en chemie tot materiaalkunde en biologie. Deze interesse wordt gedreven door een reeks potentiële toepassingen, zoals lichtemissie van moleculen, fotonfrequentieconversie, fotokatalyse, detectie en fotodynamische therapie. Moleculaire tripletten zijn echter slechte lichtemitters, dus speciale technieken worden gebruikt om deze beperking te omzeilen. De technieken omvatten op zware metalen gebaseerde spin-orbit-koppeling en afstemming van de singlet-triplet energiesplitsing. Beide benaderingen zijn echter niet geschikt omdat ze zich voornamelijk richten op het oogsten van de lichtemissies van de tripletten en dit legt strikte beperkingen op aan het moleculaire ontwerp.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Xiaogang Liu van de afdeling Chemie, NUS heeft een nieuwe benadering ontwikkeld om de lichtemissie-eigenschappen van deze moleculaire tripletten te beheersen door organische moleculen te koppelen aan met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes (zie figuur). Dit onderzoek is in samenwerking met Prof Renren Deng van Zhejiang University, China en Prof Akshay Rao van Cambridge University, Verenigd Koninkrijk. Met hun methode kunnen moleculaire tripletten rechtstreeks op de organische moleculen worden gegenereerd door fotonabsorptie. Dit betekent dat de moleculen energie kunnen krijgen en rechtstreeks van het singlet in de grondtoestand kunnen worden getransporteerd om drieling in aangeslagen toestand te worden. Deze directe optische overgang was voorheen niet mogelijk. De onderzoekers ontdekten dat de overgang kan plaatsvinden op tijdschalen van minder dan 10 picoseconden met eenheidsefficiëntie. Omdat ze zijn gekoppeld aan de met lanthanide gedoteerde nanodeeltjes, kunnen deze triplet-exciton-toestanden van de moleculen vervolgens energieoverdracht naar de lanthanide-ionen ondergaan met eenheidsefficiëntie, waardoor lichtemissie mogelijk is.

Prof Liu zei: “We hebben een langdurige experimentele uitdaging aangepakt waarmee wetenschappers die werkzaam zijn in het opto-elektronische veld worden geconfronteerd, en het is aangetoond dat het een effectieve strategie is voor het luminescent oogsten van moleculaire tripletten. Deze resultaten stellen ook een nieuwe methode vast om moleculaire tripletten te manipuleren. triplet excitonen en zullen naar verwachting nieuwe wegen openen voor een breed scala aan disciplines, waaronder triplet sensibilisatie, fotokatalyse, opto-elektronica, biomedische therapie, detectie en foton frequentieomzetting. ”