实验室赵祖金教授团队：羰基/氮多重共振分子的自旋翻转过程中高能激发态解析

涉及多个激发态的自旋翻转过程对许多有机分子的功能化应用起着关键作用。由于高能激发态往往通过各种电子跃迁快速失活，因此获得高能激发态参与自旋翻转的直接实验证据是极具挑战性的。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的赵祖金教授课题组通过对羰基/氮多重共振分子的对称性的调控，降低高能激发态跃迁熟虑，成功检测到参与自旋翻转的高能激发态，验证了高能激发态在电子自旋翻转过程中的介导作用，为多重共振分子光物理过程的验证打开新思路。

因此，该工作的目的是获得高能态介导自旋翻转过程的直接实验证据，并验证高能态在该过程发挥的作用。

由于羰基的孤对电子所在的n轨道可参与激发态的跃迁，促进电子自旋翻转，该研究设计选用羰基-氮作为多重共振骨架，制备了具有C2h对称性的稠环多重共振分子（anti-DIQAO），并采用具有C2v对称性的syn-DIQAO作为对照。和syn-DIQAO相比，anti-DIQAO更高的结构对称性很大程度上降低了激发态的跃迁速率。因此，在自旋翻转跃迁过程中，anti-DIQAO能在高能激发态停留较长时间，从而实现系间窜越、反向系间窜越和内转换过程的探测。

图1.分子设计思路导图

作者通过多种实验测试手段实现了anti-DIQAO的中间态光物理过程的检测。首先，在77 K低温时间分辨发射光谱中可以观察到除了S1和T1态之外的长寿命激发态的存在，该激发态和S1态能级接近，且在该长寿命激发态与T1态之间未检测到其它激发态的存在，因此该激发态被归属为第二激发三线态（T2）。此外，该简并三线态T2态的发射可直接通过裸眼观测。在365 nm紫外灯照射下，分子表现为绿色荧光发射，关闭紫外灯后，绿光亮度逐渐增强，随后转变为红光，并且该现象在甲苯溶液及掺杂薄膜中均可观察到，表明S1态至T1态的转变首先经过S1态至T2态的ISC过程，再进行T2态至T1态的内转换，从而实现S1态和T1态的自旋翻转。该过程也通过飞秒瞬态吸收光谱得到验证。然而，在C2v对称性的syn-DIQAO中T2态无法通过实验检测。总的来说，结合稳态和瞬态光谱，证明了T2态在多重共振分子的自旋翻转过程中的介导作用。

图2.稳态及瞬态发光表征

为了探究anti-DIQAO的电致发光特性，作者将该分子作为发光客体应用于有机发光二极管（OLED）中，通过和主体材料（CBP）搭配，制备了窄光谱绿光OLED器件，发射波长位于536 nm，半峰全宽为34 nm，外量子效率为19.6%；借助敏化工艺，将4CzIPN用作敏化材料，通过敏化材料和发光客体间高效的Förster能量转移，外量子效率成功提升至32.6%，高亮度下的效率滚降也得到抑制，是同期报道的羰基-氮多重共振分子的最佳电致发光性能之一。

图3.电致发光性能表征

相关研究成果以“Deciphering intermediate excited states inspin-flip transition in carbonyl-nitrogen multi-resonance molecule”为题发表在The Innovation Materials上，其中通讯作者为赵祖金教授，第一作者为付燕博士和庄凝硕士。该研究工作得到了国家自然科学基金（22375066、U23A20594）和广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040003）等的资助。

原文链接：

https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-mater.2025.100126