西北工业大学黄维院士团队开发温度自适应有机闪烁体
西北工业大学黄维院士团队开发温度自适应有机闪烁体
西北工业大学黄维院士、谷龙教授和南京工业大学安众福、马会利教授团队在有机闪烁体领域取得重要突破。他们开发了一种温度自适应型磷光-TADF双发射有机闪烁体，能够在77 K~400 K的宽温度范围内实现高效辐射发光，为X射线成像技术在不同温度环境下的应用提供了新的解决方案。
有机闪烁体是一类可以将高能X射线转换为低能可见光的发光材料，在辐射探测、X射线成像、放射治疗以及工业无损检测等领域具有广阔的应用前景。近年来，虽然有机磷光或热激活延迟荧光（TADF）闪烁体可以有效利用三重激子实现高效闪烁发光，但这些材料对温度变化很敏感，影响了其在不同温度环境中的使用。
针对这一挑战，研究团队开发了一种具有磷光和TADF双发射功能的温度自适应有机闪烁体。实验结果表明，在紫外灯和X射线的激发下，所获材料最高光致发光量子产率和光产率分别为83.2%和78229±562 MeV-1，具有高效的发光特性。重要的是，在室温和77 K下，材料的检测极限分别为51和23 nGy s-1，低于X射线诊断的标准剂量5.5 μGy s-1。此外，所制备的闪烁屏在低温77 K和高温363 K展现出高质量的成像，空间分辨率可达21.7 lp mm-1，证明了其在多温度X射线成像领域中的潜在应用。
温度自适应机制
研究团队通过将磷光给体单元噻蒽与含有卤素重原子的嘧啶受体单元相结合，构筑扭曲的D-A分子结构，有效降低单线态与三重态能隙（ΔEST），促进单线态与激发三线态之间的系间窜跃和反向系间窜跃，赋予闪烁体磷光-热激活延迟荧光双发射的特性。此外，分子骨架上还附着了原子序数相当高的卤素重原子Br和Cl，以增强有机闪烁体对X射线的吸收能力。
性能测试与应用
图2展示了温度自适应有机闪烁体在紫外下的光物理性质。图2a通过低温77 K的磷光光谱和室温下的光致发光光谱说明材料具有磷光-TADF双发射特性。寿命衰减测试和变温光谱测试进一步证明上述结论（图2b、图2c）。光致发光量子效率测试显示该材料具有83.2%的高效发光，为实现高性能闪烁材料提供保证（图2d）。图2e是材料的X射线激发辐射发光光谱。
图3表征了温度自适应有机闪烁体的闪烁发光特性。图3a材料与商业化蒽的X射线吸收光谱，说明材料具有相对良好的X射线吸收能力。光产额测试、稳定性测试和检测线测试进一步说明材料是制备有机闪烁体的理想材料（图3a、图3b和图3e）。图3d和图3f通过低温77 K和变温的辐射发光光谱说明材料在X射线激发下具有双发射特性。上述实验结果说明，利用有机磷光-TADF双发射的特性，闪烁体呈现出三重态激子自适应的特征，在77 K~400 K温度范围内均展现出优异的X射线激发辐射发光性能。值得注意的是，该温度自适应闪烁体具有78229 Me V-1的高光产额和51 nGy s-1的低检测限，其性能优于已报道的多数有机闪烁体。
图4通过单晶测试和理论计算结果说明扭曲的分子结构和分子间强相互作用有效降低单线态与三线态能隙（ΔEST），促进单线态与激发三线态之间的系间窜跃和反向系间窜跃,使得闪烁体展现温度自适应磷光-热激活延迟荧光双发射的特性。这种独特的特性使得材料在77 K到363 K宽温度范围展现出高激子利用率和高效辐射发光。
鉴于闪烁体温度自适应的特征，图5探索了闪烁体在不同温度下的X射线辐射成像，其最高成像空间分辨率可达21.7 lp mm-1。该研究成果不仅为开发新型闪烁体提供了新思路，同时扩展了有机闪烁体在多温度柔性X射线成像领域新应用。
这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的支持。相关研究成果发表于Journal of the American Chemical Society期刊。