近红外圆偏振发光(NIR CPL)材料兼具近红外光学特性和圆偏振光调控能力,在光学信息加密、生物成像和新型光电器件等领域具有重要应用潜力。然而,高效发光与强手性光学响应往往受到不同结构因素和物理过程的影响,如何在同一材料体系中实现二者的协同增强,仍是该领域面临的重要挑战。
针对这一问题,袁方龙老师课题组提出利用手性晶格畸变连接晶体结构手性与自陷激子发光的新策略。通过引入具有手性中心的有机分子,构筑不对称的N-H···Cl和C-H···Cl氢键作用网络,诱导无机金属卤化物八面体发生显著的局域晶格畸变。进一步采用连续手性度量(continuous chirality measure, CCM)、八面体离子偏心畸变(off-centering distortion)和键长畸变(bond-length distortion)等参数,对局域晶格结构的手性与畸变程度进行定量表征,揭示了局域结构畸变与手性光学性能之间的构效关系。理论计算表明,增强的晶格畸变能够加强晶格与激子之间的相互作用,促进激发态结构重组和自陷激子的形成,从而实现手性光学响应与高效近红外发光的协同调控。
基于上述设计,构筑了无铅零维铟锑基杂化金属卤化物(R/S-NIR)。该材料表现出中心位于728 nm的近红外发光,光致发光量子产率(PLQY)最高达到84.9%,同时具有显著的圆偏振发光响应,发光不对称因子|glum|最高达到2.21×10-2,实现了高效近红外发光与强手性光学响应的协同增强。此外,R/S-NIR还表现出显著的动态晶格响应特性。在特定条件下,材料可发生晶格结构转变,形成橙光发光相R/S-orange,并伴随发光颜色切换和圆偏振发光信号反转。进一步研究发现,橙光相的手性既可以通过自发对称性破缺产生,也可以通过外部手性诱导实现调控,展现出动态、可调的手性光学响应特征。在器件应用方面,进一步构筑了近红外圆偏振发光LED器件,器件保持了明显的近红外圆偏振光学输出,展示了该材料体系在手性光电器件中的应用潜力。该工作揭示了手性晶格结构调控近红外圆偏振发光的内在关联,为高性能无铅近红外圆偏振发光材料及动态手性光电材料的设计提供了新的研究路径。

图1. 手性零维铟锑基杂化金属卤化物的光学特性。

图2. 手性晶格畸变增强零维铟锑基杂化金属卤化物的圆偏振发光与手性光学响应。
该研究工作近期以“Chiral Lattice Distortion Enables Bright Near-Infrared Circularly Polarized Luminescence in Lead-Free Metal Halides”为题,发表于Journal of the American Chemical Society(//doi.org/10.1021/jacs.6c11064)。论文共同第一作者为2025级硕士生廖可乐及2024级本科直博生李金洋,通讯作者为袁方龙教授。该研究得到了基金委、北京市及51吃瓜 相关经费的支持。