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化学所成功制备多色发光和掺杂白色发光的新型

发布时间:2019-07-16 10:19编辑:化学科学浏览(64)

    纳米导线对于微电子器件集成是必不可少的,与电子器件相对应,光子器件也在向着小型化和集成化方向发展,因此微型光导材料的研究就成为集成光路的关键。一维纳米光波导材料在过去几年成为研究热点,这些纳米级的光波导可以在亚波长尺度下对光进行传导和操纵,并且纳米材料与周围环境之间折光率的差异可以形成一个很好的亚波长尺度的谐振腔,用于光泵浦及电泵浦激光器。然而到目前为止,此类工作绝大多数都集中在无机半导体材料方面。近几年,有机纳米材料、尤其是有机小分子纳米材料得到了快速的发展。有机小分子结构可设计性强,发光效率高,而且有着良好的有序自组装性能,因此有机纳米材料有望成为下一代微型光电器件的组成单元。

    受分子间作用方式的限制,有机小分子材料熔沸点较低且易升华,多数无机纳米材料的制备方法并不适用于有机纳米材料。因此有机纳米材料,尤其有机纳米晶体材料的制备方法受到限制。探索有机纳米晶体材料新的、普适性的制备方法以及研究结晶性对有机纳米材料光电性能的影响,已经成为纳米材料领域一个新的研究热点。

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,化学所光化学院重点实验室姚建年院士课题组开发了一种吸附剂辅助的物理气相沉积技术,将色谱用的吸附剂引入气相沉积体系,从而显著改善了有机纳米材料的结晶性和尺寸均匀性。这种方法已经被证明是一种制备尺寸均匀的有机小分子单晶纳米线的普适性的技术。利用该技术,他们制备了一系列有机一维纳米材料,并研究了纳米材料所表现出的光学特异性(Chem. Mater. 2006, 18, 2302-2306;Adv. Mater. 2007, 19, 3554 -3558;Adv. Mater. 2008, 20, 79-83)。结果表明,所制备的单晶纳米线表现出了与块体材料显著不同的光学性质,纳米线在室温下就明显出现了发射光谱的窄化,为研究纳米线的受激发射行为提供了可能性。

    化学所光化学院重点实验室姚建年院士课题组在前期工作中采用一种吸附剂改进的物理气相沉积技术,制备了尺寸均匀的有机小分子单晶纳米线(Chem. Mater. 2005, 17, 6430-6435;Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 1985 – 1991)。在研究中他们首次将吸附剂引入气相沉积体系,显著改善了有机纳米材料的尺寸均匀性。同时发现将两种具有能量给受体关系的有机发光分子制成掺杂的纳米结构之后,可以连续地调节纳米材料的发光颜色(Adv. Mater. 2005, 17, 2070)。

    最近,该课题组同有机固体院重点实验室江雷研究员合作,研究了有机单晶纳米线的光波导与受激发射行为,相关研究成果发表在《先进材料》上(澳门微尼斯人娱乐,Adv. Mater. 2008, 20, 1661-1665)。他们采用吸附剂辅助的气相沉积技术,以一种功能有机小分子2,4,5-三苯基咪唑为前驱体,制备了矩形截面的单晶纳米线。所制备的TPI纳米线可以作为亚波长尺度的光波导材料,而且在一定功率的光激发下,这些纳米线在紫外波段表现出受激发射的行为,根据纳米线直径的不同,可以分别得到单模式和多模式的受激发射,有望进一步发展成为微型近紫外激光器,用于纳米级的光电子器件中。文章发表以后被NatureChina选为最新研究亮点,以“Nanowires: Small and organic”为题进行报道。随后被Nature亚太区的Asia Materials选作特色研究亮点(Featured Highlight)并以“Lasing down the line”为题进行了专门报道。

    最近,在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,该课题组用改进的物理气相沉积法制备了具有多色发光性质的有机小分子纳米带及其组装体。研究结果发表在新一期的《先进材料》上(Adv. Mater. 2007, 19, 3554-3558)。研究中发现,在溶液以及非晶薄膜中发蓝光的有机小分子五苯基环戊二烯被制成结晶的一维纳米带组装体之后,出现了多重发光性。在用紫外、蓝光、绿光激发PPCP纳米带时,可以分别得到蓝光、绿光以及红光的发射。进一步的实验结果表明,纳米材料中低能级的发光来自于晶体中的缺陷发光中心,同时材料的发光在一维结构的长度方向有自汇聚作用,从而使多色发光性质增强。

    进一步,他们又用一种化学发光材料9,10-二苯乙炔基蒽为前驱体,制备了单晶微米管和线,用于光波导材料的研究。受中间的空气介质的影响,管结构表现出与实心的线不同的光波导行为。对比结果表明,微米管光波导具有更低的光学损耗,这是由于中空结构显著降低了材料与周围介质的光耦合。相关结果发表在近期的《德国应用化学》上(2008, 47, 7301–7305)。审稿人评价“这一重要而有趣的发现表明将中空的有机管状结构用作光波导材料是非常有前景的”。

    进一步,研究人员将吸附剂改进的物理气相沉积法应用于掺杂的二元有机一维纳米材料的制备。通过引入吸附剂以及将沉积源放置于适当的温度区域,将三苯基吡唑啉以及红荧烯制成均匀掺杂的一维结晶纳米结构。研究结果表明,纳米结构中两种分子间存在荧光共振能量转移。通过改变纳米材料中两种组分的比例,得到了发光颜色从蓝光到橙光连续可调的纳米线,并且在一定的比例下得到了白光发射的纳米线。相关结果已被接收,将发表在近期的《先进材料》上(DOI: 10.1002/adma.200700542)。

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    左图,TPI纳米线光波导的荧光显微照片;右图,TPI纳米线及其受激发射谱。

    PPCP纳米带组装体的明场像以及不同激发波长下得到的荧光显微像

    光化学院重点实验室

    光化学院重点实验室

    2008年10月31日

    2007年12月11日

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