單線態激子在二維與三維金屬-有機配合物中的能量轉移

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材料維度對能量轉移可能具有很大的影響。光合作用過程中，葉綠素和類胡蘿蔔素被太陽光激發，其激發態能量從類囊體的二維膜高效轉移至反應中心。低維度激子遷移的研究因而具有重要意義。

廈門大學化學化工學院的汪騁（「青年千人」）和林文斌（「千人計劃」）教授課題組在單線態激子於不同維度材料的能量轉移研究中取得新的進展。該研究基於課題組前期兩個看似無關的研究成果Self-Supporting Metal–Organic Layers as Single-Site Solid Catalysts（Angew. Chem., Int. Ed.,2016,55, 4962）和F?rster Energy Transport in Metal?Organic Frameworks Is Beyond Step-by-Step Hopping（J. Am. Chem. Soc.,2016,138, 5308），前者發現通過反應條件的控制可大量製備薄至單層的超薄金屬-有機薄層（MOLs），後者提出MOFs中FRET機制的激子遷移可通過遠距離的跳躍實現。兩者結合併通過設計和控制合成條件得到兩種由同種金屬離子和配體組成的結構相關、但維度不同的金屬有機配合物，它們分別具有超薄有序二維結構的金屬-有機單/多層（2D-MOL）和三維結構的金屬-有機框架（3D-MOF）。作者結合多種結構表徵確定兩者在結構上的主要區別在於次級結構單元（SBUs）與配體的拓撲連接及維度，為研究維度對單線態激子能量轉移的影響提供了平台。

研究者通過改變配體的投料比得到一系列不同配體摻雜濃度的MOLs與MOFs，並對供體熒光淬滅進行穩態和時間分辨熒光測試。他們基於課題組在以往工作提出的單線態激子F?rster機理的跳躍模型（J. Am. Chem. Soc.,2016,138, 5308），對激子在有序的2D-MOLs和3D-MOFs的能量轉移進行了模擬，實驗結果與理論模擬一致。研究發現，在3D-MOF框架中總激子的運動速率高於2D-MOL，但由於MOL具有超薄的二維結構，激子更容易與外在分子發生能量和電子的轉移。該成果對利用2D材料進行光收集和熒光感測的應用提供了理論依據和思路，相關成果發表在Journal of the American Chemical Society上。

該研究由汪騁教授和林文斌教授共同指導，課題組的博士生曹凌雲為第一作者，並得到同課題組林澤凱、史文頡等同學的幫助。該工作得到國家自然科學基金、科技部重大研究計劃納米科技專項、中組部千人計劃和廈門大學人才經費的資助。