近日，中國科大周蒙教授課題組與清華大學王泉明教授團隊合作，在溶液中實現了金屬團簇>99%量子產率的近紅外發光，并揭示了其三重態發光機制，解決了這一方向的難題。相關研究成果以“Near-unity NIR phosphorescent quantum yield from a room-temperature solvated metal nanocluster”為題，于1月19號發表在期刊《科學》上。

近紅外發射的金納米團簇在生物領域具有潛在的應用價值，但這些團簇的近紅外發光量子產率（PLQY）通常較低（<10%）。在此，研究人員通過銅摻雜合成Au₁₆Cu₆團簇，發現其在室溫無氧溶液中表現出>99%的PLQY。近100%PLQY團簇的成功制備有助于進一步開發高近紅外發光量子產率的金屬團簇。

研究人員合成了Au₂₂(^tBuPhC≡C)₁₈（Au₂₂）及其銅摻雜對應團簇Au₁₆Cu₆(^tBuPhC≡C)₁₈（Au₁₆Cu₆），并研究了其光物理性質。單晶X射線衍射結果分析表明Au₂₂和Au₁₆Cu₆具有相似的結構。對這兩個團簇進行基本的發光性質表征發現，Au₂₂的發光峰位于690nm，Au₁₆Cu₆的發光峰位于720nm。在空氣條件下用絕對法測得Au₂₂和Au₁₆Cu₆的PLQY分別為9%和95%，在無氧溶液中通過絕對法和相對法測得Au₁₆Cu₆的PLQY均達到100%。時間相關單光子計數測得Au₂₂和Au₁₆Cu₆的發光壽命分別為485ns和1.64μs。

通過瞬態吸收光譜進一步研究其激發態動力學發現，兩種團簇的發光態均來自于三重激發態（T₁），且在飛秒瞬態吸收光譜中觀察到了不同的動力學過程。在380nm激發下，Au₂₂表現出148 ps的上升過程，而Au₁₆Cu₆表現出0.5ps的快速下降過程。通過三重態敏化實驗證明，這兩個過程可以歸屬于S₁→T₁的系間竄躍（ISC）。由于銅摻雜使得Au₁₆Cu₆具有更小的?E_ST，因此顯著加快了其ISC的速率，最終Au₁₆Cu₆展現出接近100%的PLQY。

清華大學史宛琪（博士研究生）和中國科大合肥微尺度物質國家研究中心曾琳琳（碩士研究生）為該文共同第一作者.中國科大周蒙教授、清華大學王泉明教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院的資助。

圖1. Au₂₂和Au₁₆Cu₆的結構

圖2. Au₂₂和Au₁₆Cu₆在二氯甲烷中的發光性質

圖3. Au₂₂和Au₁₆Cu₆激發態動力學行為

文章鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adk6628

（合肥微尺度物質國家研究中心 科研部）