Etero scintillante altamente luminescente

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3504 (2022) Citare questo articolo

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Gli emettitori veloci a spostamento di Stokes di grandi dimensioni mostrano un riassorbimento trascurabile della loro luminescenza, una caratteristica altamente desiderabile per diverse applicazioni come l'imaging a fluorescenza, la gestione della luce solare e la fabbricazione di rilevatori scintillanti sensibili per l'imaging medico e per esperimenti di fisica ad alta energia ad alta velocità. Qui otteniamo una luminescenza ad alta efficienza con un significativo spostamento di Stokes sfruttando blocchi costitutivi di acene coniugati fluorescenti disposti in nanocristalli. Due ligandi di uguale lunghezza molecolare e connettività, ma con proprietà elettroniche complementari, sono co-assemblati da cluster ossi-idrossi di zirconio, generando nanocristalli cristallini con struttura metallo-organica (MOF) etero-leganti. La diffusione degli eccitoni singoletti all'interno del MOF e l'abbinamento delle proprietà di assorbimento ed emissione dei ligandi consente un'attivazione ultraveloce dell'emissione a bassa energia nella scala temporale di 100 ps. I nanocristalli ibridi mostrano un'efficienza quantica di fluorescenza di circa il 60% e uno spostamento di Stokes pari a 750 meV (~ 6000 cm−1), che sopprime il riassorbimento delle emissioni anche nei dispositivi sfusi. Lo scintillatore veloce nanocomposito prototipo fabbricato mostra prestazioni di riferimento che competono con quelle di alcuni sistemi commerciali inorganici e organici.

Lo spostamento di Stokes è una proprietà importante dei materiali luminescenti, definita come la differenza di energia (ΔE) tra il massimo della banda di assorbimento e il massimo dello spettro di emissione1. Il valore di ΔE è un parametro chiave nei dispositivi e nelle applicazioni fotonici perché, in prima approssimazione, consente di stimare direttamente se un emettitore sarebbe interessato da un significativo riassorbimento della luce generata. Ad esempio, se il valore ΔE è inferiore o simile alla larghezza di banda degli spettri di assorbimento ed emissione, il conseguente effetto intrinseco estensivo di filtro interno può limitare pesantemente le prestazioni di illuminazione dei dispositivi fotonici bulk e, nei casi peggiori, può anche influenzano la cinetica della generazione della luminescenza2,3,4. Al contrario, se ΔE è abbastanza maggiore delle bande spettrali, in altre parole la sovrapposizione tra le bande di assorbimento e di emissione è ridotta al minimo o del tutto trascurabile, il sistema può essere considerato un grande emettitore a spostamento di Stokes che funziona come traslatore di lunghezza d'onda senza effetti di filtro interno ( Figura 1a). Questi materiali privi di riassorbimento sono altamente desiderabili per diverse applicazioni. Ad esempio, nell'imaging in fluorescenza, le grandi sonde ottiche a spostamento Stokes consentono di ottenere immagini ad alto contrasto con luce diffusa ad eccitazione limitata, evitando l'uso di costosi componenti di filtraggio o la lunga post-elaborazione dell'immagine5, 6. Per le applicazioni solari, i grandi emettitori a spostamento Stokes sono senza dubbio i materiali più promettenti per realizzare concentratori solari luminescenti senza riassorbimento della radiazione condensata7. Allo stesso modo, la sensibilità dei rivelatori scintillanti per le radiazioni ionizzanti trarrebbe grande beneficio dall’uso di emettitori veloci senza riassorbimento8 che mostrino una buona intensità di emissione luminosa senza effetti sulla temporizzazione dell’impulso di scintillazione, come richiesto dalle più avanzate tecniche di imaging medico come il tempo di esperimenti di tomografia a emissione di positroni in volo (ToF-PET)9 e di fisica delle alte energie (HEP). L'ampia letteratura recente nel campo dei nanocristalli semiconduttori testimonia questo attualissimo interesse per i grandi emettitori a spostamento di Stokes. In questi materiali, ad esempio, il ΔE può essere regolato drogando i semiconduttori con impurità elettroniche10, determinando la comparsa di stati intragap da cui viene prodotta la luminescenza spostata verso il rosso. È possibile ottenere un notevole valore ΔE pari a 1 eV11, ma uno svantaggio attualmente irrisolto è la lenta cinetica della luminescenza che ne limita l'uso per applicazioni di temporizzazione veloci su scala temporale di nanosecondi e inferiori12,13,14. Inoltre, nei dispositivi fotonici dove è prevista una temporizzazione veloce, i tradizionali traslatori di lunghezza d'onda che sfruttano il trasferimento di energia radiativa non possono essere impiegati, a causa del conseguente rallentamento dell'impulso luminoso emesso.