金屬納米團(tuán)簇： 化身新型光波導(dǎo)材料
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近日，安徽大學(xué)先進(jìn)材料原子工程研究中心副教授陳爽和教授朱滿洲組成的科研團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)并合成了具有橙色和紅色發(fā)光的金屬納米團(tuán)簇，兩種金屬納米團(tuán)簇的晶體都表現(xiàn)出優(yōu)異的光波導(dǎo)性能，為有源波導(dǎo)和極化材料家族提供了新成員。這種材料在未來(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《科學(xué)》雜志上。
配體保護(hù)的金屬納米團(tuán)簇具有原子級(jí)精確的結(jié)構(gòu)和良好的光學(xué)性質(zhì)等特點(diǎn)，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。
由于金屬納米團(tuán)簇間的多種弱相互作用，其晶體表現(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。金屬納米團(tuán)簇的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式的差異，使它們?cè)诠獠▽?dǎo)過(guò)程中表現(xiàn)出不同的偏振發(fā)光，進(jìn)而使它們的晶體能表現(xiàn)出更強(qiáng)的光致發(fā)光。光致發(fā)光是指物體依賴外界光源進(jìn)行照射，從而獲得能量，產(chǎn)生激發(fā)導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。
“我們?cè)谝淮螌?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。”陳爽告訴記者，通過(guò)不斷地摸索嘗試，他們得到了不同形態(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)，研究人員詳細(xì)了解了團(tuán)簇結(jié)構(gòu)與光波導(dǎo)和偏振行為的關(guān)聯(lián)性，從原子水平上弄清了其中的機(jī)理。
研究人員采用刻蝕的方法制備了金屬納米團(tuán)簇，并通過(guò)改變激光束在一維棒狀晶體的不同位置，獲得了空間分辨率的光致發(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。
研究人員介紹，金屬納米團(tuán)簇光波導(dǎo)材料具有優(yōu)異的性能。首先，金屬納米團(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，金屬納米團(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；再次，金屬納米團(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。
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，為開發(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。
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