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国际顶级期刊《科学》发表!安徽大学发现新的光波导材料

近日,安徽大学先进材料原子工程研究中心科研团队发现了金属纳米团簇中的光波导行为。这是在金属纳米团簇材料中发现的重要光传播新现象,填补了纳米团簇光子性质研究的空白,丰富了有源光波导和偏振发光材料的研究,有非常重要的潜在应用价值,是材料科学前沿的重要研究成果。

研究团队发现配体保护的两种金属团簇材料具有优异的光波导性能,研制的两种金属团簇的晶体排列和分子取向导致了其极高的极化比,光损耗系数低于大多数无机、有机和杂化材料,为有源波导和极化材料家族提供了新成员。这在未来信息储存、集成光学等领域具有潜在应用前景。

相关成果以"Ligand-protected metal nanoclusters as low-loss, highly polarized emitters for optical waveguides"为题发表在国际顶级期刊《科学》上。

安徽大学陈爽副教授和朱满洲教授为共同通讯作者,2020级硕士研究生王晓健、殷兵、姜丽蓉为共同第一作者,中国科学技术大学邹刚教授、硕士研究生杨翠以及安徽大学硕士研究生刘颖为论文的合作者。

据介绍,光波导材料是光学器件和光学系统中的关键组成部分,在光通信、光学传感和光学计算等领域发挥着重要的作用。金属纳米团簇光波导行为的发现为开发配体保护的金属纳米团簇作为活性光波导材料提供了理论基础和应用前景,为构建基于团簇的小型化集成纳米光子器件提供了支持。

作者合成了具有橙色荧光的[Pt1Ag18(S-Adm)2(DPPP)6Cl6](SbF62和具有红色荧光的[AuxAg19-x(S-Adm)2(DPPP)6Cl6](ClO43纳米团簇,它们具有较低的光损耗系数和极高的偏振比。

文章表示,两种金属团簇材料的光波导有着良好的热稳定性和溶剂稳定性,优异的光波导性能归因于以下三点:

纳米团簇的分子内相互作用抑制了非辐射跃迁,使得它们有更强的荧光;

纳米团簇的分子间相互作用导致了晶体堆积致密、结晶度高和表面光滑,有效地减少了散射引起的损耗;

纳米团簇较大的斯托克斯位移能够避免光在传播过程中的重吸收。Pt1Ag18和AuxAg19-x的晶体具有一定程度的柔韧性,弯曲和分叉状态的晶体仍然表现出明显的光波导行为。

此外,研究还发现了光波导在金属纳米团簇中具有一定的普适性,AuCu14、Au4Cu5、Pt1Ag37等都表现出良好的光波导效果,表明纳米团簇是一种合适的光波导材料。

通过后续的实验结果,作者得出结论称,实验合成了原子精确的Pt1Ag18和AuxAg19-x纳米团簇。由于非辐射跃迁的抑制、致密晶体堆积和大斯托克斯位移,使得它们的晶体表现具有低损耗的的光波导性能。而不同的晶体结构和堆积模式又使它们产生了独特的偏振波导。

此外,Pt1Ag18和AuxAg19-x表现出聚集诱导发射增强效应,从溶液到固体,二者的量子产率分别提高了115倍和1.5倍。

总之,Pt1Ag18和AuxAg19-x能够用作有源波导和偏振材料,表明了金属纳米团簇在光电功能器件中有着巨大的应用前景。

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