近日，安徽大學(xué)先進(jìn)材料原子工程研究中心陳爽副教授和朱滿洲教授組成的科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)配體保護(hù)的兩種金屬團(tuán)簇材料具有優(yōu)異的光波導(dǎo)性能，研制的兩種金屬團(tuán)簇的晶體排列和分子取向?qū)е铝似錁O高的極化比，光損耗系數(shù)低于大多數(shù)無(wú)機(jī)、有機(jī)和雜化材料，為有源波導(dǎo)和極化材料家族提供了新成員。這在未來(lái)信息儲(chǔ)存、集成光學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在期刊《科學(xué)》上。

發(fā)現(xiàn)金屬納米團(tuán)簇中的光波導(dǎo)行為

(資料圖片)

光波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)光電集成和光子集成的關(guān)鍵。目前，多種光子納米結(jié)構(gòu)被開(kāi)發(fā)用作光波導(dǎo)材料，但它們?nèi)匀淮嬖谥鈱W(xué)損耗高和制造工藝復(fù)雜等問(wèn)題。而配體保護(hù)的金屬納米團(tuán)簇具有原子精確的結(jié)構(gòu)、良好的光學(xué)性質(zhì)和較大的斯托克斯位移，這些特點(diǎn)使其非常適合用于光電器件，并且團(tuán)簇的光學(xué)性質(zhì)可以通過(guò)金屬摻雜、配體調(diào)控、價(jià)態(tài)調(diào)整等手段進(jìn)行調(diào)控。因此，金屬納米團(tuán)簇非常適合用作光波導(dǎo)材料并探索其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系。

研究人員設(shè)計(jì)并合成了具有橙色和紅色發(fā)光的納米團(tuán)簇，兩種納米團(tuán)簇的晶體都表現(xiàn)出優(yōu)異的光波導(dǎo)性能，它們的光損耗系數(shù)低于大多數(shù)有機(jī)、無(wú)機(jī)以及雜化材料。并且，這種光波導(dǎo)性質(zhì)在金屬納米團(tuán)簇中具有一定的普適性。

由于納米團(tuán)簇間的多種弱相互作用，納米團(tuán)簇晶體表現(xiàn)出一定程度的柔韌性，彎曲和分支狀態(tài)的晶體仍然具有明顯的光波導(dǎo)行為。由于納米團(tuán)簇的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式的差異，它們?cè)诠獠▽?dǎo)過(guò)程中表現(xiàn)出了不同的偏振發(fā)光，使得它們的晶體能表現(xiàn)出更強(qiáng)的光致發(fā)光。

“在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，團(tuán)簇晶體在非聚焦光刺激下呈現(xiàn)邊緣亮，中間暗的特征，這是典型的光波導(dǎo)特性?！标愃蛴浾弑硎荆瑑H止于此是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，要想知道團(tuán)簇為什么會(huì)呈現(xiàn)如此優(yōu)異的光子傳輸性能，必須從原子水平上了解這一過(guò)程。

通過(guò)不斷地摸索嘗試，研究人員得到了不同形態(tài)的團(tuán)簇晶體，發(fā)現(xiàn)這些晶體都具有優(yōu)異的低損耗波導(dǎo)行為，并且不同團(tuán)簇的偏振行為差異巨大。隨后，通過(guò)解析這些團(tuán)簇晶體的空間結(jié)構(gòu)，詳細(xì)了解了團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)和偏振行為的關(guān)聯(lián)性，從原子水平上實(shí)現(xiàn)了“知其然知其所以然”，弄清了其中的機(jī)理。

?研究人員采用刻蝕的方法制備了納米團(tuán)簇，并通過(guò)改變聚焦激發(fā)激光束在一維棒狀晶體的不同位置，獲得了空間分辨的光致發(fā)光顯微鏡圖像。計(jì)算表明，其光損耗系數(shù)數(shù)值低于大多數(shù)已報(bào)道過(guò)的有機(jī)、無(wú)機(jī)以及雜化材料的損耗。

另外，研究人員發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇的光波導(dǎo)有著良好的熱穩(wěn)定性和溶劑穩(wěn)定性，還發(fā)現(xiàn)了光波導(dǎo)在金屬納米團(tuán)簇中具有一定的普適性，表明納米團(tuán)簇是一種合適的光波導(dǎo)材料。

三大優(yōu)異性能，有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值

研究人員表示，金屬納米團(tuán)簇光波導(dǎo)材料具有優(yōu)異的性能。首先，納米團(tuán)簇的分子內(nèi)相互作用抑制了非輻射躍遷，使得它們有更強(qiáng)的光致發(fā)光;其次，納米團(tuán)簇的分子間相互作用導(dǎo)致了晶體堆積致密、結(jié)晶度高和表面光滑，有效地減少了散射引起的損耗;第三，納米團(tuán)簇較大的斯托克斯位移能夠避免光在傳播過(guò)程中的重吸收。

正是由于光波導(dǎo)具有抗干擾能力強(qiáng)、保真度高等特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于光電調(diào)制器、光子耦合器、光子電路等領(lǐng)域。而光波導(dǎo)材料在光通信、光學(xué)傳感和光學(xué)計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

研究人員表示，此次金屬納米團(tuán)簇光波導(dǎo)行為的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了納米團(tuán)簇光子性質(zhì)研究的空白，豐富了有源光波導(dǎo)和偏振發(fā)光材料的研究，為開(kāi)發(fā)配體保護(hù)的金屬納米團(tuán)簇作為活性光波導(dǎo)材料提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用前景，并為構(gòu)建基于團(tuán)簇的小型化集成納米光子器件提供了支持，未來(lái)將有非常重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

(安徽大學(xué)供圖)

關(guān)鍵詞：