有机材料的光电性质很大程度上取决于分子间距离。广泛应用于各种光电器件的有机发光分子大多是距离很远的单分散态体系或者是距离很近的聚集态体系。然而，领域内对于分子间距离在聚集态和分散态之间的发光分子行为的认识依然非常匮乏。为了填补这一空白，美国普渡大学（Purdue University）化学工程系的Letian Dou（窦乐添）教授与Brett Savoie教授合作提出将共轭有机发光分子引入二维无机晶格构筑有机组分发光的二维钙钛矿体系，通过巧妙的分子设计，发现了一种有机发光分子材料的新物态，即有机分子在二维晶格里的发光行为与单分子类似但其堆积密度和排列方式与聚集体相近，因此命名为“类单分子聚集体（SMA）”。相关成果“Two-dimensional-lattice-confined single-molecule-like aggregates”发表在2024年9月11日的Nature期刊上。论文通讯作者是窦乐添教授和Brett Savoie教授，第一作者是王康博士（现为中国科学院化学研究所研究员/课题组长）。
有机晶体的分子间距离通常认为处于平衡点（3-5 Å，图1(i)）。由于强的分子间相互作用（π-π堆积、电荷转移、自吸收等效应），传统有机分子晶体的发光量子产率（PLQY）往往很低，这也就是著名的聚集淬灭（ACQ）效应。一种有效缓解ACQ效应的策略就是减小甚至是消除有机发光分子间的相互作用，即将分子间距离拉大（>10 Å，图1(ii)），例如溶解在稀溶液中，分散在主体基质中，嵌入多孔骨架里等等。这些策略都有效提升了PLQY，并且在有机发光二级管、激光器等应用中发挥了重要作用。然而，人们对于有机分子间距离处于平衡态和分散态之间的报道相对甚少，尤其是对于这种状态下分子行为的认识十分有限。
图1：具有不同分子间距离的发光分子不同聚集态示意图。
为此，作者将有机发光分子引入二维无机晶格中，构筑了有机-无机杂化的二维钙钛矿超晶格材料。二维钙钛矿特殊的无机骨架为有机分子的准外延生长（quasi-epitaxial growth）提供了一个良好的模板。同时，二维无机骨架接近6 Å周期的结构有望用于调控分子间距离并研究在近平衡态下的分子聚集行为（图1(iii)）。
为了确保二维超晶格体系的发光来自有机组分，作者选择了能形成反type-I型能级结构的[PbBr4]2-和F8BT单体类似物阳离子来构筑二维超晶格。同时选择了不同的连接单元（噻吩和苯环）来与无机骨架通过离子键相连接，并研究其对分子行为的影响。结果表明，基于噻吩的有机阳离子FBTT在二维超晶格中表现出的荧光显著淬灭等，与FBTT聚集体具有十分类似的光学特性（例如发光波长、荧光寿命等）；然而基于苯环的FBTP在二维超晶格中的光学性质与FBTP单分散体薄膜更接近，其荧光量子产率接近100%（图2）。
图2：二维钙钛矿超晶格里的单分子行为。
为了从分子层面上进一步理解分子结构差异与发光行为的关系，作者分别对两种阳离子形成的超晶格结构进行了分子动力学模拟。模拟分析结果表明，二维超晶格中，FBTT分子的噻吩环与苯并噻二唑单元共平面性很好，导致晶格里相邻的FBTT容易产生比较强的分子间相互作用，因而表现出与聚集态类似的发光行为。而FBTP分子中的苯环与苯并噻二唑单元呈现一定的二面角，因而有效削弱了分子在晶格里的相互作用，表现出类似单分子的发光行为（图3）。这些分子构象的模拟结果与单晶解析结果完全符合，进一步表明了，分子结构的细微差别可能对SMA态的形成产生显著影响。
图3：二维超晶格中有机分子的转动和振动行为理论模拟与实验分析。
基于这一分子层面的认识，作者还设计了基于苯环连接单元的不同发光颜色有机阳离子，青色发光的PBTP和红色发光的BBTP。将他们插入二维钙钛矿超晶格中后，作者也观察到了类似于单分子的光学特性，进一步表明了这一分子设计策略的普适性（图4）。
图4：其他发光颜色有机阳离子在二维超晶格里的单分子光学行为。
更有意思的是，由于二维超晶格中的有机分子紧密堆积，且呈现一种规则的排列方式，因而表现出了一些独特的整体或者类聚集体效应。例如由于FBTP分子取向规则、排列整齐，作者观测到了荧光的方向性发射，100 ps以内的超快辐射衰减途径，以及极低阈值的光泵浦激光行为。这些特性进一步展示了平衡态附近的分子独特的聚集形式所带来的优异的光电性质。
图5：二维超晶格里有机发光分子的SMA行为。
作者在二维钙钛矿骨架里观测到的有机分子SMA行为，与传统意义上的H-聚集、J-聚集、X-聚集、null聚集行为都不完全相同，代表了一种新的有机分子聚集体新物态。此外，作者提出的这种材料设计思想有望进一步拓展到其他有机半导体材料（例如不同发光颜色、不同电荷传输特性、不同激光增益性能）与无机骨架（一维钙钛矿、二维过渡金属硫族化合物、零位无机量子点）等体系中，因此定义了一类新的杂化光电功能材料家族以及新材料开发的新范式。这些复合材料可以用于进一步提升诸如LED、纳米激光器等器件性能，也为有机电泵浦激光的发展与突破带来了新的契机。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07925-9
