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金屬納米團簇：一種新的光波導(dǎo)材料

文章來源：科技日報更新時間：2023-08-14 15:50:40

近日，安徽大學(xué)先進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隊，發(fā)現(xiàn)配體保護的兩種金屬團簇材料具有優(yōu)異的光波導(dǎo)性能，研制的兩種金屬團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)無機、有機和雜化材料，為有源波導(dǎo)和極化材料家族提供了新成員。這在未來信息儲存、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)金屬納米團簇中的光波導(dǎo)行為

　　光波導(dǎo)是實現(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)雜等問題。而配體保護的金屬納米團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，這些特點使其非常適合用于光電器件，并且團簇的光學(xué)性質(zhì)可以通過金屬摻雜、配體調(diào)控、價態(tài)調(diào)整等手段進行調(diào)控。因此，金屬納米團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)計并合成了具有橙色和紅色發(fā)光的納米團簇，兩種納米團簇的晶體都表現(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、無機以及雜化材料。并且，這種光波導(dǎo)性質(zhì)在金屬納米團簇中具有一定的普適性。

　　由于納米團簇間的多種弱相互作用，納米團簇晶體表現(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。由于納米團簇的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式的差異，它們在光波導(dǎo)過程中表現(xiàn)出了不同的偏振發(fā)光，使得它們的晶體能表現(xiàn)出更強的光致發(fā)光。

　　“在一次實驗中偶然發(fā)現(xiàn)，團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。”陳爽向記者表示，僅止于此是遠遠不夠的，要想知道團簇為什么會呈現(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程。

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

　　研究人員采用刻蝕的方法制備了納米團簇，并通過改變聚焦激發(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。計算表明，其光損耗系數(shù)數(shù)值低于大多數(shù)已報道過的有機、無機以及雜化材料的損耗。

　　另外，研究人員發(fā)現(xiàn)團簇的光波導(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)在金屬納米團簇中具有一定的普適性，表明納米團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)用價值

　　研究人員表示，金屬納米團簇光波導(dǎo)材料具有優(yōu)異的性能。首先，納米團簇的分子內(nèi)相互作用抑制了非輻射躍遷，使得它們有更強的光致發(fā)光;其次，納米團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，納米團簇較大的斯托克斯位移能夠避免光在傳播過程中的重吸收。

　　正是由于光波導(dǎo)具有抗干擾能力強、保真度高等特點，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，此次金屬納米團簇光波導(dǎo)行為的發(fā)現(xiàn)，填補了納米團簇光子性質(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，為開發(fā)配體保護的金屬納米團簇作為活性光波導(dǎo)材料提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用前景，并為構(gòu)建基于團簇的小型化集成納米光子器件提供了支持，未來將有非常重要的潛在應(yīng)用價值。

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