唐本忠院士团队JACS：有机磷光新突破，实现高对比度“光写字”显示

近日，香港科技大学唐本忠院士团队在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）发表重要研究成果，提出具有普适性的分子磺酸化策略，成功开发出兼具高亮度、超长寿命和优异透明度的有机室温磷光材料，并成功实现了高对比度、可实时“光写字”的显示新技术。该研究不仅突破了有机发光材料在性能和应用场景上的双重瓶颈，也为下一代智能光电子器件提供了全新的材料体系和设计思路。该研究题目为“Bright and Ultralong Organic Phosphorescence via Sulfonic Acid Functionalization for High-Contrast Real-Time Light-Writing Display”。

长期以来，有机磷光材料由于激发态寿命短、亮度低等问题，制约了其在光电显示、防伪识别及人机交互等前沿技术中的实用化进程。本项研究从分子官能团入手，发现相比于传统的羧基、硼酸或氨基修饰基团，磺酸基团（-SO₃H）在提升材料性能中具有关键作用。研究表明，磺酸基团独特的三角锥结构和强极性，使其不仅能有效增强分子的系间窜越效率（即促进三线态激发态形成），还可通过增强氢键作用显著抑制非辐射能量耗散，从而实现前所未有的亮度与寿命双优表现。以典型磷光分子BP-SA为例，其在常温下展现出超过20%的磷光量子效率及20秒的持续发光时间，在同类材料中表现极为突出。

图1. 分子设计策略及磷光性能研究

更具创新意义的是，研究团队将这些新型磷光分子掺杂进聚乙烯醇（PVA）构建的柔性透明薄膜中，制备出透光率超过97%的高性能发光介质。在紫外光激发下，这些薄膜能够以肉眼可见的方式记录和保持光的轨迹，实现了无需墨水或电源的“光写字”效果。通过实验证明，这一材料体系具有出色的图像锐度和对比度，其图像信噪比达39.2，光迹对比度高达48.0，模糊度仅为0.24。

图2. 有机磷光薄膜透明性的研究

此外，得益于磺酸基团良好的通用性，研究团队还成功将该策略应用于多种不同发光能级的分子骨架，实现了从深蓝到红色的全色有机磷光材料开发。这些材料在保持高透明度的同时，展示出良好的发光性能一致性与可调节性，为多色信息显示和高安全性防伪标识提供了坚实基础。

图3. 磺酸基化设计策略的通用性研究

依托磺酸基磷光材料的突破性性能，研究团队开发的实时光写入显示系统展现出令人瞩目的应用前景。该系统以高透明薄膜为载体，通过紫外光笔的即时激发，实现“落笔成辉”的动态显示效果。无论是复杂的汉字结构还是精细的英文连笔，线条边缘均能保持锐利清晰，甚至在动态书写中捕捉速度变化：缓慢移动时线条饱满明亮，快速划过则呈现渐变淡出效果，为手势交互和动态信息反馈提供了新维度。该系统还支持80次以上重复擦写，展现出优异的稳定性和实用性。

图4. 高对比度“光写字”显示应用的研究

该研究由香港科技大学、香港大学及香港中文大学（深圳）合作完成，获香港研究资助局、深圳市科技创新委员会等项目支持。香港科技大学博士生李欣和博士后李文朗为该论文共同第一作者，香港科技大学唐本忠院士、郭志宏教授、林荣业教授和香港大学David L. Phillips教授为该论文共同通讯作者。该研究首次将“分子官能团工程”引入到有机磷光材料设计中，突破了以往聚焦分子主骨架的传统范式，展示了官能团结构在控制激发态行为和材料宏观性能之间的桥梁作用。本研究不仅为有机光功能材料的设计提供了新路径，也为可穿戴设备、无墨电子纸和动态防伪标签等应用注入创新活力，开启“光为笔，膜为纸”的智能显示新时代。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.4c17142

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！