夏建龙Nat. Commun.: 聚合物材料单线态裂分

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单线态裂分（singlet fission, SF）是指当有机半导体材料受激发产生单线态激子后，通过一个自旋允许的裂分过程，形成两个三线态激子的多激子产生现象。研究表明，单线态裂分在突破单层异质结太阳电池光电转换效率的Shockley–Queisser定律限制、光催化、传感、OLED、光晶体管及生物体系的光防护等领域具有广阔的应用前景，近年来受到了研究人员的广泛关注。基于SF的有机太阳能电池EQE达到126%、SF敏化的晶体硅太阳能电池EQE达106%等研究结果均已有报道，显示出SF在太阳能电池器件方面重要的潜在应用价值。最近，利用具有SF的主体材料敏化OLED，成功实现了NIR电致发光器件的激子产率达100.8%。单线态裂分研究领域目前存在两个最主要的问题是：（1）对SF产生的具体机理了解不够深入，材料结构与SF的构效关系尚不清楚；（2）能产生SF的材料很少，尤其是具有SF的聚合物材料非常少，限制了对SF应用的进一步研究。

近日，武汉理工大学夏建龙教授课题组与北京大学裴坚教授课题组合作，利用瞬态光谱表征技术，系统地研究了基于异靛蓝的聚合物材料IIDDT-Me的激子动力学过程，发现了IIDDT-Me在稀溶液中具有高效的分子内单线态裂分，三线态产率可达160%~200%。瞬态吸收测试结果表明，IIDDT-Me稀溶液受光照激发后产生的单线态（S1）,快速裂分形成三线态激子对（TT态），TT态的生成通过三线态敏化实验进一步确认。敏化实验结果表明，SF产生的三线态激子对与敏化生成的三线态激子呈现相似的瞬态吸收，SF产生的三线态激子对的湮灭速率更快。同时还观察到单线态裂分过程中形成了单线态（S1）、单线态与三线态对共存态（S1 + TT）、三线态激子对（TT）的动态平衡，平衡常数受单线态裂分的驱动力等因素影响。单线态、共存态和三线态激子对的寿命分别为~5.8 ps、~78 ps和~190 ps。此外，瞬态荧光光谱表征结果显示，SF生成的三线态对（TT）可以产生直接的荧光发射，发射波长随着时间红移，这一现象同时得到了温度依赖的瞬态吸收实验证实。进一步研究发现，IIDDT-Me在聚焦状态下，分子内单线态裂分被完全淬灭，这是由于聚合物链发生聚集后，使得单线态能量降低。该成果以“New insights into the design of conjugated polymers for intramolecular singlet fission”为题发表在Nature Communications上，武汉理工大学胡嘉华博士为该论文的第一作者。