Intramolecular charge transfer enables highly-efficient X-ray luminescence in cluster scintillators

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作者
Nan Zhang,Lei Qu,Shuheng Dai,Guohua Xie,Chunmiao Han,Jing Zhang,Ran Huo,Huan Hu,Qiushui Chen,Wei Huang,Hui Xu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:9
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38546-x
摘要

Luminescence clusters composed of organic ligands and metals have gained significant interests as scintillators owing to their great potential in high X-ray absorption, customizable radioluminescence, and solution processability at low temperatures. However, X-ray luminescence efficiency in clusters is primarily governed by the competition between radiative states from organic ligands and nonradiative cluster-centered charge transfer. Here we report that a class of Cu4I4 cubes exhibit highly emissive radioluminescence in response to X-ray irradiation through functionalizing biphosphine ligands with acridine. Mechanistic studies show that these clusters can efficiently absorb radiation ionization to generate electron-hole pairs and transfer them to ligands during thermalization for efficient radioluminescence through precise control over intramolecular charge transfer. Our experimental results indicate that copper/iodine-to-ligand and intraligand charge transfer states are predominant in radiative processes. We demonstrate that photoluminescence and electroluminescence quantum efficiencies of the clusters reach 95% and 25.6%, with the assistance of external triplet-to-singlet conversion by a thermally activated delayed fluorescence matrix. We further show the utility of the Cu4I4 scintillators in achieving a lowest X-ray detection limit of 77 nGy s-1 and a high X-ray imaging resolution of 12 line pairs per millimeter. Our study offers insights into universal luminescent mechanism and ligand engineering of cluster scintillators.
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