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國際頂級期刊《科學》發表!安徽大學發現新的光波導材料

近日,安徽大學先進材料原子工程研究中心科研團隊發現了金屬納米團簇中的光波導行為。這是在金屬納米團簇材料中發現的重要光傳播新現象,填補了納米團簇光子性質研究的空白,豐富了有源光波導和偏振發光材料的研究,有非常重要的潛在應用價值,是材料科學前沿的重要研究成果。

研究團隊發現配體保護的兩種金屬團簇材料具有優異的光波導性能,研制的兩種金屬團簇的晶體排列和分子取向導致了其極高的極化比,光損耗系數低于大多數無機、有機和雜化材料,為有源波導和極化材料家族提供了新成員。這在未來信息儲存、集成光學等領域具有潛在應用前景。

相關成果以"Ligand-protected metal nanoclusters as low-loss, highly polarized emitters for optical waveguides"為題發表在國際頂級期刊《科學》上。

安徽大學陳爽副教授和朱滿洲教授為共同通訊作者,2020級碩士研究生王曉健、殷兵、姜麗蓉為共同第一作者,中國科學技術大學鄒剛教授、碩士研究生楊翠以及安徽大學碩士研究生劉穎為論文的合作者。

據介紹,光波導材料是光學器件和光學系統中的關鍵組成部分,在光通信、光學傳感和光學計算等領域發揮著重要的作用。金屬納米團簇光波導行為的發現為開發配體保護的金屬納米團簇作為活性光波導材料提供了理論基礎和應用前景,為構建基于團簇的小型化集成納米光子器件提供了支持。

作者合成了具有橙色熒光的[Pt1Ag18(S-Adm)2(DPPP)6Cl6](SbF62和具有紅色熒光的[AuxAg19-x(S-Adm)2(DPPP)6Cl6](ClO43納米團簇,它們具有較低的光損耗系數和極高的偏振比。

文章表示,兩種金屬團簇材料的光波導有著良好的熱穩定性和溶劑穩定性,優異的光波導性能歸因于以下三點:

納米團簇的分子內相互作用抑制了非輻射躍遷,使得它們有更強的熒光;

納米團簇的分子間相互作用導致了晶體堆積致密、結晶度高和表面光滑,有效地減少了散射引起的損耗;

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。Pt1Ag18和AuxAg19-x的晶體具有一定程度的柔韌性,彎曲和分叉狀態的晶體仍然表現出明顯的光波導行為。

此外,研究還發現了光波導在金屬納米團簇中具有一定的普適性,AuCu14、Au4Cu5、Pt1Ag37等都表現出良好的光波導效果,表明納米團簇是一種合適的光波導材料。

通過后續的實驗結果,作者得出結論稱,實驗合成了原子精確的Pt1Ag18和AuxAg19-x納米團簇。由于非輻射躍遷的抑制、致密晶體堆積和大斯托克斯位移,使得它們的晶體表現具有低損耗的的光波導性能。而不同的晶體結構和堆積模式又使它們產生了獨特的偏振波導。

此外,Pt1Ag18和AuxAg19-x表現出聚集誘導發射增強效應,從溶液到固體,二者的量子產率分別提高了115倍和1.5倍。

總之,Pt1Ag18和AuxAg19-x能夠用作有源波導和偏振材料,表明了金屬納米團簇在光電功能器件中有著巨大的應用前景。

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