2026年2月，重点实验室何荣幸/周磊与中山大学匡代彬联合在《Angewandte Chemie-International Edition》上在线发表了题为“Efficient Organic-Inorganic Sn4+-Based Halide Phosphorescent Scintillators Enabled by Enhanced Triplet Exciton Utilization and Excited Energy Level Regulation”的研究论文。
研究背景
近几年，将高能辐射转化为可见光的X射线闪烁体在医学成像、安检、无损检测等领域的基础研究和实际应用中备受关注，柔性电子技术的发展也推动了对柔性便携式X射线探测/成像技术的需求。目前多数闪烁体为无机材料，虽闪烁性能优异，但存在加工性、可修饰性差和制造成本高等局限；纯有机闪烁体则具有结构修饰简便、可大面积制备和机械柔性好等优势，却因自旋轨道耦合弱、轻原子占比高导致X射线吸收弱，且多为荧光型材料，激子利用效率低。
根据自旋统计规律X射线产生的电子 - 空穴对会以1:3的比例形成单重态和三重态激子，仅25%的单重态激子可用于辐射发光，75%的三重态激子因暗态特性易非辐射衰减。因此，能同时利用单重态和三重态激子的室温磷光或热激活延迟荧光闪烁体，成为实现高激子利用效率的理想选择，是高性能闪烁体的重要研发方向。
有机材料的高效磷光需促进单重态到三重态的系间窜越并抑制三重态激子的非辐射衰减，虽已有多种策略被提出，但有机磷光闪烁体仍受限于X射线吸收弱、三重态激子暗态占比高、长寿命导致的三重态 - 三重态湮灭等问题。有机 - 无机金属卤化物晶体材料兼具有机和⽆机组分优势，可增强光致发光性能，但其高性能磷光闪烁体的研究仍处于空白阶段。
现有金属卤化物闪烁体如Mn²+、Cu+基卤化物存在 Mn-X 离子键吸潮、Cu+ 易被氧化等问题，铟 - 锑杂化体系则面临发射能调控难等挑战。而空气稳定的Sn⁴+基杂化金属卤化物是光电应用的潜力材料，其 4d¹⁰5s⁰电子构型可形成刚性结构，激子 - 声子耦合弱，且高原子序数的Sn⁴+具有重原子效应，能增强与电离辐射的相互作用。但目前常压室温下的Sn⁴+基杂化金属卤化物磷光闪烁体尚未见报道，仅在超高压力下有单重态激子型Sn⁴+闪烁体的研究，因此构建该类磷光闪烁体成为研究重点。
研究内容
本研究提出精准的结构设计策略，利用多重分子间相互作用、重原子效应和高效三重态激子利用，实现杂化Sn⁴+基金属卤化物的X射线激发磷光闪烁，合成了五种杂化材3PP (R)-Sn-Cl（R=H、F1、F2、Cl、Br），可通过取代基R调控实现荧光/TADF/RTP可调发射。实验表明，有机和⽆机单元间的强配位作用结合不同取代基R，能有效调节分子堆积和激发态动力学，提升X射线吸收、加快系间窜越速率并提高三重态激子利用效率。其中3PP (H)-Sn-Cl的磷光效率和寿命创下未掺杂 Sn⁴+ 基金属卤化物的最高纪录。同时，该类材料因多重弱分子间相互作用、刚性结构、强重原子效应和高效三重态激子利用，展现出高灵敏的热致变色行为和强的X射线辐射发光性能，为高性能闪烁体的研发提供了新方向。
研究结果
本研究基于3 - 苯基 - 1H - 吡唑衍生物设计合成了新型有机 - 无机Sn⁴+ 基X射线磷光闪烁体3PP (R)-Sn-Cl，通过调控取代基R得到两种分子堆积晶体结构：R=H、F1的材料为强π-π堆积，表现出高效荧光和TADF发射；R=F2、Cl、Br 的材料为弱π-π堆积，展现高效荧光和RTP发射。得益于结构和激发态动力学的可调性，该系列材料实现了多色可调发射。3PP (Br)-Sn-Cl结合多重弱分子间相互作用、强重原子效应和高效三重态激子利用，有效提升了X射线吸收并促进系间窜越，成为兼具优异X射线响应和光稳定性的高性能磷光闪烁体，其柔性闪烁屏的空间分辨率达14.0 lp mm-¹。本研究首次报道了常压室温下可用于无损射线照相的有机 - 无机Sn⁴+基金属卤化物闪烁体，也为通过充分利用磷光金属卤化物杂化材料中的三重态激子开发高性能X射线闪烁体建立了通用设计原则。