图片 6

化学所在低维有机光子学元件研究方面取得重要进展

光子学器件具有电子学器件无法比拟的高速、高带宽和低能耗等优点,在光信息处理和光子学计算中扮演着非常重要的角色。化学所光化学院重点实验室的科研人员近年来一直致力于低维有机光子学方面的研究(Acc.
Chem. Res.
,2010,43,409-418,Adv. Funct. Mater., 2012, 22,
1330-1332),围绕光子学集成器件中所需要的微纳光源(J. Am. Chem. Soc.,
2011, 133, 7276-7279,)、光波导(Adv. Mater.,**2011,23,
1380-1384)、光子路由器(J. Am. Chem. Soc.,
化学所在低维有机光子学元件研究方面取得重要进展。2012,
134,2880-2883)、光电检测(Adv. Mater.,
2012*,24*,
2332-2336)等开展了一系列的探索工作。相关工作证实了低维有机材料在纳米光子学领域的巨大潜力,为进一步获得复杂功能的光子学元件奠定了基础。

受光学衍射极限的束缚,基于介质材料的光子学器件的尺寸都在几百纳米以上,制约了微型化光子器件集成密度的进一步提高,急需发展尺度在衍射极限以下的光学器件来进行光信息的传输与处理。表面等离子极化激元(Surface
Plasmon Polariton,
SPP)是一种存在于金属表面的特殊电磁场形式,可将光限域在衍射极限以下传播,其在偏振状态、模式体积、色散特性等方面具有一系列独特的物理性质,有利于实现亚波长尺度下的器件集成。然而,全金属的器件传输损耗大且只能作为被动光学元件,限制了其在功能器件方面的适用范围。有机材料具有丰富的光化学与光物理性质,在光学增益、可控加工等方面表现出了独特的优势,将有机材料的激子与金属材料的表面等离子有效结合,可以同时解决衍射极限的问题与SPP的传输损耗问题。

纳米光子学主要研究如何在微纳米尺度上对光子运动进行操纵、调节和控制,在未来信号传播和信息处理方面具有广泛的应用前景。中国科学院化学研究所光化学重点实验室的研究人员近年来对低维有机材料光子学方面进行了系统的研究。在前期对一维有机光波导材料的研究中(Adv.
Mater.,
2008, 20, 1661-1665; Angew. Chem. Int. Ed., 2008,
47, 7301-7305)发现了有机材料中的Frenkel
激子与光子的强耦合作用所形成的激子极化激元(Exciton Polariton,
EP)在有机光子学中的作用机制,从而利用三重态敏化,通过EP传播过程中的双向能量转移作用,实现了稳定白光输出的光波导器件(Adv.
Mater.,
2011, 23,
1380-1384),进一步利用有机晶体材料中的激子极化激元的超高折射率实现了双光子泵浦有机纳米线激光器(J.
Am. Chem. Soc.,
2011, 133,
7276-7279)。相关工作证实了有机低维材料在纳米光子学中的巨大潜力,为实现基于低维有机材料的光子学功能元件奠定了基础。

受到光学衍射极限的限制,光子学器件尺寸都在百纳米以上,与电子器件回路尺度的差距过于悬殊,难以实现二者在同一回路中的集成。因此,寻求合适的方法发展小于光衍射极限的光学器件,在纳米尺度来进行光信息处理势在必行。最近几年,一维金属纳米结构作为光波导材料受到了国内外的广泛关注。金属纳米线的宽度为几十到几百纳米,却可实现光在衍射极限以下的传播,其原因就是光在金属纳米结构中以表面等离极化激元(Surface
Plasmon Polariton,
SPP)的形式传播。SPP是一种存在于金属表面的特殊电磁场形式,在其偏振状态、模式体积、色散特性等方面具有一系列独特的物理性质,有望实现用于信息处理的表面等离激元集成器件。然而金属的固有传输损耗很大,仅仅通过SPP波导很难在集成光子回路中进行数字信号传输,因此需要开发一种简便、有效、通用的策略把SPP模块集成到低损耗的介质光互连系统中实现数字信息的发送和接收。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中国科学院光化学重点实验室的科研人员多年来一直致力于亚波长尺度下光子学信号调控方面的研究,在有机金属纳米复合材料的可控制备,以及具有特定功能的亚波长光学器件设计等方面开展了系统的研究工作(Adv. Mater.**2012, 24, 5681-5686;Adv.
Mater.
2013, 25, 2784-2788;
Small
2015, 11, 3728-3743; Adv.
Mater.
2016*, 28*,
1319-1326)。

最近,在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和化学所的支持下,科研人员与美国西北大学的Huang
Jiaxing教授合作,在前期工作的基础上,从有机纳米线异质结的可控制备入手,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。将有机异质结构中的荧光共振能量转移和光波导性质结合起来,实现了信号可调制的纳米光子路由器。这些研究结果为深入研究有机功能分子体系的组装行为,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的内在机制,以及探索光子通讯与运算中需要的各类元器件提供了重要的借鉴。相关结果发表于近期的《美国化学会志》上(J.
Am. Chem. Soc.,
2012,134,
2880-2883
),工作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。

最近,在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和化学所的大力支持下,化学所光化学院重点实验室科研人员在前期工作的基础上,利用定点外延生长的方法制备出有机/金属纳米线异质结,通过有机单晶纳米线中的激子极化激元与银纳米线中的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。相关工作发表于近期的《先进材料》(Adv.
Mater.,
2012,24, 5681–5686),并被选作当期封面文章。

图片 1

图片 2

图片 3

图1基于钙钛矿/金属纳米异质结的激光耦合输出

图1 低维有机纳米光子路由器,可实现单点激发,多通道不同的光信号输出

图1 封面文章:有机/金属纳米线异质结中EPs与SPPs的相互耦合

在近期的研究中,研究人员设计了一种有机无机杂化钙钛矿/银纳米线复合结构,利用光与SPP的耦合成功实现了激光模式的亚波长输出。用液相生长的方法将银纳米线包埋在单晶钙钛矿微米结构中。复合结构的包埋部分使钙钛矿内的激光模式能有效的在银纳米线上激发生成SPPs并在端点以光子的形式输出。耦合输出的SPPs模式与钙钛矿腔体内生的激光模式具有相同性质,如模式能量,偏振属性。同时改变泵浦方式可实现钙钛矿腔体和SPP输出的激光模式的调控。在此基础上通过在有机单晶体系中精确调控激子与表面等离子的相对取向,阐明了激子与SPP之间的耦合过程。相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.**2016, 138, 2122-2125;ACS
Nano
2017**, DOI: 10.1021/acsnano.7b04584。

图片 4

进一步,为了把逻辑处理结果输送到正确的端口,他们又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SPPs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,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。相关结果发表于近期的《先进材料》上(Adv.
Mater.,
2013, 25, 2784-2788),并被邀请作为当期的背封面文章。

图片 5

图2 不同偏振输入对有机纳米光子路由器各个终端输出信号的调制作用

图片 6

图2有机柔性激光的全色亚波长输出

光化学院重点实验室

图2
背封面文章:有机/金属纳米线异质结中EPs与SPPs的相互耦合及其在多光子信号操纵方面的应用

进一步,为了解决亚波长相干光源的波长调制问题,研究人员设计了一种有机微盘/银纳米线复合结构。采用毛细作用力辅助的液相组装方法将银纳米线嵌入在有机微盘的边缘,掺杂激光染料的微盘在光学泵浦下作为高质量的回音壁模式激光器,而嵌入的银线可通过SPP将激光信号在亚波长尺度下进行传输。利用聚合物微盘优异的材料兼容性,将具有不同光学增益范围的染料添加到微盘中,实现了可波长覆盖整个可见范围的微型激光。这种复合结构结合了有机激光材料和银纳米线的优势,对纳米光子学功能器件的研究提供了一种新的研究思路。相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.**2017*, 139*, 11329-11332。

2012年2月23日

光化学院重点实验室

相关结果表明,有机材料优异的柔性和可加工特点可为介质/金属复合体系的构筑提供更加有效且可控的途径。更重要的是,有机材料丰富的激发态过程,为深入研究光与物质的相互作用提供了更加有力的手段。相关研究对设计和开发亚波长尺度下的新型光子学器件具有重要的指导意义。

2013年6月5日

光化学院重点实验室

2017年10月25日