手性稀土纳米材料的圆偏振发光研究进展

圆偏振发光(CPL)是手性材料受到激发后发射出具有差异的左旋或右旋圆偏振光的独特光学现象, 可以应用于量子计算、信息加密和三维显示等领域. 随着纳米科学和技术的发展, 具有CPL性能的手性稀土纳米材料因其出色的光学稳定性等特点而备受关注, 并具有大的应用潜力. 本文综述了手性稀土纳米材料的最新研究进展, 首先介绍了稀土元素的光谱特性及早期手性稀土配合物的研究, 详述了如何构筑具有CPL的手性稀土纳米材料, 强调了合成过程中手性结构对发光性能的调控特点, 并通过主-客体策略讨论了如何通过稀土发光客体与手性主体的选择来优化CPL性能. 最后, 探讨了CPL稀土纳米材料领域面临的挑战, 如发光性能和手性控制等问题, 并对手性稀土纳米材料在未来的应用前景进行了展望.

手性是一种在自然界中广泛存在的现象, 表现为某些物体及其镜像之间无法通过任何旋转或平移来重合的性质. 小到生物分子如氨基酸、糖类、蛋白质, 大到宏观物体如飓风和星云, 都显现出手性. 1848年, 路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)在研究酒石酸盐的旋光性时, 通过手动分离的方式发现了分子级别的旋光异构现象, 将晶体的手性延伸到分子层面, 这对后来手性化学的发展意义深远. 手性物质的两种对映体虽然具有相同的化学成分, 但它们的化学反应性、生物活性及光学性质却可能大相径庭, 这也使得其在药物开发和液晶显示等诸多领域有着广泛的应用. 手性研究已成为化学、物理学、生物学、药学和材料科学等多个学科的重要交叉领域, 并持续稳步发展.

手性材料有着独特的光学性质, 如圆二色性(CD)以及圆偏振发光(CPL), 这种光学活性在现代科技中扮演着重要的角色. 偏振是光的固有重要性质之一, 其中圆偏振光携带丰富的光学信息, 已被广泛应用于量子计算、信息加密、三维(3D)显示和发光设备等多个领域. 传统上, 圆偏振光是由非偏振光通过起偏器转变为线偏振光, 然后通过1/4波片进一步将线偏振光转变为圆偏振光(图1a). 相比之下, 利用手性发光材料直接产生圆偏振光可以避免使用复杂光学组件所带来的能量损失, 从而提高系统的效率(图1b).

图1 产生圆偏振光的方法. (a) 传统物理方法;(b) 手性材料直接产生CPL光

早期对于手性圆偏振发光材料的研究主要集中在一些手性有机配合物上, 较为典型的是手性稀土配合物, 如Cs[Eu((+)-hfbc)4]配合物, 其发光不对称因子|glum|值高达1.38, 是目前报道的最大值. 手性稀土配合物具有较好的发光性质和较长的发光寿命, 但手性稀土配合物通常对配位环境较敏感, 稀土阳离子的激发态容易与化学环境的非辐射相互作用而失活, 因此手性稀土配合物对于配体的选择具有一定要求, 配体必须要提供足够数量的供体原子来保护稀土阳离子免受淬灭环境的影响.

随着纳米科学和技术的发展, 人们成功地制备了不同类型的纳米材料.近年来, 手性纳米材料因其在纳米效应的基础上引入了手性自由度,成为了生物学、化学、生命科学、手性纳米光子学和超材料等领域研究的热点. 手性纳米材料的CD和CPL特性可以通过精确控制纳米材料的尺寸和形态进行调节, 使其光学响应能够覆盖从紫外到可见光乃至近红外的光谱范围. 手性稀土纳米材料是其中的典型代表, 它们不仅展现了稀土元素本身的光电优势, 还通过手性结构引入了光学活性, 这使得它们在光学传感器、生物标记以及新一代显示技术中展现出独特的应用价值. 此外, 手性稀土纳米材料通过稀土离子和其结构中的手性调节可实现对发光偏振状态的精细控制, 这使得它们在深层防伪加密、量子计算和信息存储领域也展现出巨大的应用前景. 本文介绍了近年来手性稀土纳米材料圆偏振发光的研究进展.

本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.