金屬納米團簇： 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隊，設(shè)計并合成了具有橙色和紅色發(fā)光的金屬納米團簇，兩種金屬納米團簇的晶體都表現(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《科學(xué)》雜志上。
配體保護(hù)的金屬納米團簇具有原子級精確的結(jié)構(gòu)和良好的光學(xué)性質(zhì)等特點，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(jìn)行調(diào)控。因此，金屬納米團簇非常適合用作光波導(dǎo)材料。
由于金屬納米團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。金屬納米團簇的晶體結(jié)構(gòu)和堆積方式的差異，使它們在光波導(dǎo)過程中表現(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。”陳爽告訴記者，通過不斷地摸索嘗試，他們得到了不同形態(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)，研究人員詳細(xì)了解了團簇結(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理。
研究人員采用刻蝕的方法制備了金屬納米團簇，并通過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。
研究人員介紹，金屬納米團簇光波導(dǎo)材料具有優(yōu)異的性能。首先，金屬納米團簇的分子內(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，金屬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；再次，金屬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。
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，為開發(fā)配體保護(hù)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。
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