近日，中国科大周蒙教授课题组与清华大学王泉明教授团队合作，在溶液中实现了金属团簇>99%量子产率的近红外发光，并揭示了其三重态发光机制，解决了这一方向的难题。相关研究成果以“Near-unity NIR phosphorescent quantum yield from a room-temperature solvated metal nanocluster”为题，于1月19号发表在期刊《科学》上。

近红外发射的金纳米团簇在生物领域具有潜在的应用价值，但这些团簇的近红外发光量子产率（PLQY）通常较低（<10%）。在此，研究人员通过铜掺杂合成Au₁₆Cu₆团簇，发现其在室温无氧溶液中表现出>99%的PLQY。近100%PLQY团簇的成功制备有助于进一步开发高近红外发光量子产率的金属团簇。

研究人员合成了Au₂₂(^tBuPhC≡C)₁₈（Au₂₂）及其铜掺杂对应团簇Au₁₆Cu₆(^tBuPhC≡C)₁₈（Au₁₆Cu₆），并研究了其光物理性质。单晶X射线衍射结果分析表明Au₂₂和Au₁₆Cu₆具有相似的结构。对这两个团簇进行基本的发光性质表征发现，Au₂₂的发光峰位于690nm，Au₁₆Cu₆的发光峰位于720nm。在空气条件下用绝对法测得Au₂₂和Au₁₆Cu₆的PLQY分别为9%和95%，在无氧溶液中通过绝对法和相对法测得Au₁₆Cu₆的PLQY均达到100%。时间相关单光子计数测得Au₂₂和Au₁₆Cu₆的发光寿命分别为485ns和1.64μs。

通过瞬态吸收光谱进一步研究其激发态动力学发现，两种团簇的发光态均来自于三重激发态（T₁），且在飞秒瞬态吸收光谱中观察到了不同的动力学过程。在380nm激发下，Au₂₂表现出148 ps的上升过程，而Au₁₆Cu₆表现出0.5ps的快速下降过程。通过三重态敏化实验证明，这两个过程可以归属于S₁→T₁的系间窜跃（ISC）。由于铜掺杂使得Au₁₆Cu₆具有更小的∆E_ST，因此显著加快了其ISC的速率，最终Au₁₆Cu₆展现出接近100%的PLQY。

清华大学史宛琪（博士研究生）和中国科大合肥微尺度物质国家研究中心曾琳琳（硕士研究生）为该文共同第一作者.中国科大周蒙教授、清华大学王泉明教授为论文的共同通讯作者。此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院的资助。

图1. Au₂₂和Au₁₆Cu₆的结构

图2. Au₂₂和Au₁₆Cu₆在二氯甲烷中的发光性质

图3. Au₂₂和Au₁₆Cu₆激发态动力学行为

文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adk6628

（合肥微尺度物质国家研究中心 科研部）