近日，安徽大學先進材料原子工程研究中心陳爽副教授和朱滿洲教授組成的科研團隊，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。相關研究成果日前發表在期刊《科學》上。

發現金屬納米團簇中的光波導行為

(資料圖片)

光波導是實現光電集成和光子集成的關鍵。目前，多種光子納米結構被開發用作光波導材料，但它們仍然存在著光學損耗高和制造工藝復雜等問題。而配體保護的金屬納米團簇具有原子精確的結構、良好的光學性質和較大的斯托克斯位移，這些特點使其非常適合用于光電器件，并且團簇的光學性質可以通過金屬摻雜、配體調控、價態調整等手段進行調控。因此，金屬納米團簇非常適合用作光波導材料并探索其結構與性質之間的聯系。

研究人員設計并合成了具有橙色和紅色發光的納米團簇，兩種納米團簇的晶體都表現出優異的光波導性能，它們的光損耗系數低于大多數有機、無機以及雜化材料。并且，這種光波導性質在金屬納米團簇中具有一定的普適性。

由于納米團簇間的多種弱相互作用，納米團簇晶體表現出一定程度的柔韌性，彎曲和分支狀態的晶體仍然具有明顯的光波導行為。由于納米團簇的晶體結構和堆積方式的差異，它們在光波導過程中表現出了不同的偏振發光，使得它們的晶體能表現出更強的光致發光。

“在一次實驗中偶然發現，團簇晶體在非聚焦光刺激下呈現邊緣亮，中間暗的特征，這是典型的光波導特性。”陳爽向記者表示，僅止于此是遠遠不夠的，要想知道團簇為什么會呈現如此優異的光子傳輸性能，必須從原子水平上了解這一過程。

通過不斷地摸索嘗試，研究人員得到了不同形態的團簇晶體，發現這些晶體都具有優異的低損耗波導行為，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構，詳細了解了團簇結構與波導和偏振行為的關聯性，從原子水平上實現了“知其然知其所以然”，弄清了其中的機理。

?研究人員采用刻蝕的方法制備了納米團簇，并通過改變聚焦激發激光束在一維棒狀晶體的不同位置，獲得了空間分辨的光致發光顯微鏡圖像。計算表明，其光損耗系數數值低于大多數已報道過的有機、無機以及雜化材料的損耗。

另外，研究人員發現團簇的光波導有著良好的熱穩定性和溶劑穩定性，還發現了光波導在金屬納米團簇中具有一定的普適性，表明納米團簇是一種合適的光波導材料。

三大優異性能，有重要的潛在應用價值

研究人員表示，金屬納米團簇光波導材料具有優異的性能。首先，納米團簇的分子內相互作用抑制了非輻射躍遷，使得它們有更強的光致發光;其次，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;第三，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。

正是由于光波導具有抗干擾能力強、保真度高等特點，其廣泛應用于光電調制器、光子耦合器、光子電路等領域。而光波導材料在光通信、光學傳感和光學計算等領域發揮著重要作用。

研究人員表示，此次金屬納米團簇光波導行為的發現，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，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，并為構建基于團簇的小型化集成納米光子器件提供了支持，未來將有非常重要的潛在應用價值。

(安徽大學供圖)

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