研究领域三:基于低维有机复合体系的光子学元件 研究领域三:基于低维有机复合体系的光子学元件

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    设计合成具有信号调制、分光路由、逻辑处理等功能的光子学元件是集成纳米光子芯片的前提(Adv. Mater. 2013, 25, 3627-3638)。在确定了材料激发态过程可以被用来调控材料的光子学行为的基础上,我们设计合成了一系列有机异质结材料和有机/金属复合材料等材料体系,期望通过控制EP的迁移以及在不同材料界面处的转化过程,结合有机/金属界面上的EP和表面等离激元(SPP)之间的相互作用实现单一组分材料所无法实现的若干光子学功能(Nanoscale 2014, 6, 3467-3473)。

1.           基于EP转化的有机轴向异质结光二极管、三极管

    我们首先从分子间相互作用对有机分子自组装行为的影响着手,设计了特定结构的有机分子,利用在主体蓝光分子TPI的定向堆积的过程中有选择地掺杂客体分子,实现具有轴向异质结构的分段式掺杂一维有机微纳结构。当用聚焦激光激发分段结构中的TPI主体段时,EP可以沿管状材料进行传播,并在通过掺杂结构时激发客体分子,从而将传播光转换成客体分子的发光波长。而当用激光激发掺杂段时,主客体分子被同时激发,形成两种激子极化激元,主体的发光可以独立传播,但是客体分子形成的极化激元被限域在掺杂段之内(图12),利用这一点可以进行多通道的光子运算。我们通过研究分子间相互作用与异质微纳结构的相互关系,以及共振能量转移过程与可调谐光学性质的相互关系,得到了从分子组装行为控制到纳米器件性能调控的新途径。相关结果发表在Adv. Mater. 2012, 24, 1703-1708。

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12 一维多段式有机微纳结构中能量单向导通

    在此基础上,为了给体系带来更大的可调谐性,我们希望受体分子本身能够具备更丰富的激子过程,从而在选择性掺杂形成异质结构的基础上,通过受体分子的掺杂浓度控制对异质结的空间发光性质进行更大程度上的调控。我们利用二元有机分子体系的协同液相组装,制备了红绿蓝多色发光的有机微米异质结构,调控轴向上掺杂浓度对其发光颜色的空间位置分布进行控制,实现了全可见光谱覆盖的颜色可调控的发光异质结构。通过局域激发异质结构,实现了蓝光和红光两种信号在异质结构中单向传导的光二极管功能。进一步通过引入一束激光作为控制信号,可以对光信号进行非线性放大,实现光控光开关的三极管功能。相关结果发表在Adv. Mater. 2013, 25, 2854-2859。

2.           基于界面激子能量转移的枝状光子路由器

    在轴向异质结构光子学功能研究的基础上,进一步从异质结的可控制备出发,利用有机小分子特定的组装与生长特性,通过液相和气相两步法,实现了客体分子DAAQ在主体分子Alq3的一维主干结构上的可控外延生长,从而得到了一维有机分枝型异质结构,其中每个客体枝干可作为独立的光子通道。当对主干进行定点激发时,由于激子转化效率不同,每个通道输出特定的光学信号(13)。该工作为控制合成功能化有机复杂微纳结构,研究复杂结构中光子学调控的内在机制提供了重要的借鉴。结果发表于J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2880-2883,发表以后被英国皇家化学会Chemistry World以"Branched organic nanowire heterojunctions"为题作了新闻报导。

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13 激子在异质结两相界面上的扩散与转化实现多通道、输出可调的光子路由器

3.           有机/金属复合体系中的EP-SPP耦合与光子信号操纵

    已经有相关课题组用金属银纳米线组装成类似的枝状结构,发挥其中表面等离极化激元(SPP)独特的物理性质进行光逻辑运算。然而金属的欧姆损耗很大,仅通过SPP波导很难在集成光子回路中进行长距离信号传输。我们提出将有机材料与金属材料做成低维复合结构,一方面SPP场可以增强EP的发光,另一方面EP可以起到SPP传输中继的作用,可以解决其传输距离短的问题(Small 2015, 11, 3728-3743)。更重要的是两种不同激元之间的耦合可以为材料带来全新的光子学行为(中国发明专利申请号:201310263266.0)。

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14 控制金属线在有机线中的取向调控激子-SPP耦合的动量匹配关系,在纳米尺度上实现了信号的定向传输和波分复用功能

    首先利用定点外延生长技术制备了有机/金属纳米线异质结,通过有机单晶纳米线中EP与银纳米线中的SPP的强耦合作用有效地提高了SPP的激发效率。银纳米线中的信号强度与入射光偏振方向有很强的依赖关系,通过改变入射光的偏振方向调控信号强度,实现了亚波长尺度下的纳米光子学逻辑运算元件。相关工作发表于Adv. Mater. 2012, 24, 5681-5686,并被选作当期封面文章。进一步,为了把逻辑处理结果输送到正确的端口,我们发展了能够定向传输信号的方向耦合器。在有机分子液相自组装的过程中,引入金属银纳米线,成功将多根金属纳米线包埋在单晶的有机微米线中,可控制备了树枝状的有机/金属纳米线异质结,基于光子与SPP耦合效率动量匹配的角度依赖关系,在亚波长尺度下对多光子信号进行操纵,实现了定点输入、定点输出的定向耦合器(图14),为构建纳米光子学多输入、多输出的复用元件提供了新思路和新方法。相关结果发表于Adv. Mater. 2013, 25, 2784-2788。

4.           纳米光子学传感与光探测器件

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15 一步法有机p-n异质结构用于光学信号检测

    光学信号的探测与功能化是实现光信息处理的重要环节,也是全光计算技术的重要部分,实现纳米尺度光电混合集成被认作是发展集成光子学纳米芯片的必经之路。因此,有必要发展纳米尺度的光电、电光及其他类型的转换器,以实现光学信号的功能化集成。我们选择了光电性能优异、能量匹配的共轭有机半导体分子,通过一步物理气相沉积法制备了core-shell结构的p-n结阵列。其同轴结构有利于激子传递和迁移,相比于单组分纳米线,具有更明显的光响应现象,开关比高达100。利用光照时界面处激子分离产生载流子,实现了光信号向电信号的有效转化,器件开路电压达到0.64 V,为未来纳米尺度光电子集成回路中的信号转化提供了有效途径(15Adv. Mater. 2012, 24, 2332-2336;中国发明专利申请号:201310261699.2)。

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16 基于能量转移杠杆原理的纳米光子学传感器

    在此基础上开发了纳米光子学传感器(Adv. Mater. 2012, 24, 4745-4749;中国发明专利申请号:201310265479.7),利用分子与H2O2的特异性化学发光反应,结合光波导效率对周围介质环境的敏感性,实现了针对H2O2气体的高灵敏检测(16Adv. Mater. 2012, 24, OP194-OP19;中国发明专利申请号:201310261721.3。结果发表后引起广泛关注,Wiley Materials Views专栏进行了评述。