【摘 要】
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手性纳米结构是自然界中最重要的结构之一,它与生命起源和基因传递等都有着非常重要的关联。手性现象可以出现在不同的尺度,包括微观纳米尺度到宏观的星系尺度。目前人们可以通过在有机材料中引入手性基团、手性或者非手性分子自组装等方式获得具有长程有序的手性超分子结构。而螺旋结构中的电子涡旋束可以产生明显的轨道角动量(OAM)。由于手性螺旋结构产生的OAM,具有手性螺旋结构的手性超分子材料具有自旋选择效应。一般
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手性纳米结构是自然界中最重要的结构之一,它与生命起源和基因传递等都有着非常重要的关联。手性现象可以出现在不同的尺度,包括微观纳米尺度到宏观的星系尺度。目前人们可以通过在有机材料中引入手性基团、手性或者非手性分子自组装等方式获得具有长程有序的手性超分子结构。而螺旋结构中的电子涡旋束可以产生明显的轨道角动量(OAM)。由于手性螺旋结构产生的OAM,具有手性螺旋结构的手性超分子材料具有自旋选择效应。一般来说,在磁性材料中可以观察到较强的磁光耦合现象。由于磁性材料内部(或外磁场)自发磁化,使材料的能带发生劈裂,同时自旋-轨道耦合(SOC)作用使能带进一步分裂。这些机制使电子自旋和入射的偏振光子相互耦合,导致一系列磁光现象。在具有螺旋结构的手性材料中,偏振光和电场可以通过对电子OAM和电子自旋角动量的调节使手性材料中产生磁光效应。由于光子和电子自旋之间的耦合,有机手性材料中可以观测到磁圆二色性(MCD)和磁手性二色性(MChD)。手性有机材料中磁光耦合的研究为光相关的自旋动力学和自旋相关的偏振光子学开辟了新的途径。SOC作用对有机材料的磁光耦合效应起着关键性作用。目前人们通过掺入重金属元素增大SOC的方法使得有机材料中产生更加明显的磁光耦合效应。一般来说,纯有机材料中所包含的元素都是质量较轻的元素,OAM都非常小。纯有机材料中与OAM相关的相互作用通常可以忽略。所以很难在纯有机材料中观测到类似的磁光耦合效应。但是具有手性螺旋结构的有机手性材料可以诱导出较强的OAM。手性结构诱导的强OAM使得手性材料中很多的磁光耦合现象都有可能与之相关。因此我们制备出具有强手性结构诱导OAM的超分子手性纳米结构。我们以此为基础深入研究了手性诱导的OAM在有机电荷转移铁磁性材料中的光控自旋极化、手性超分子材料的圆偏振光发射(CPE)以及圆偏振光(CPL)探测等方面的主导作用。我们具体的研究工作主要有以下三部分构成。1、我们通过手性溶剂诱导超分子自组装的方法制备出手性NW-P3HT。然后我们在手性NW-TPPS中引入C60作为受体成功制备出一种不掺杂任何过渡金属并且具有优异热稳定性的室温有机手性铁磁体。我们通过TEM和CD光谱证实了手性螺旋结构的存在。在这种手性电荷转移磁体中,改变偏振光类型可以有效调节其磁化强度和磁电耦合。相比于线偏振光,CPL通过调节手性结构诱导的OAM可以增强手性电荷转移磁体的磁化强度。我们揭示了手性螺旋结构诱导的OAM在手性电荷转移磁体的光控自旋极化现象中的关键作用。除此之外,具有手性螺旋纳米结构的电荷转移磁体透射光的偏振可以通过外部磁场有效地调节。具有这种磁光效应的室温有机手性磁体将增强有机磁手性材料的功能性。这为其未来在低能耗多铁磁记录和生物检测等领域的实际应用奠定了基础。2、我们基于手性NW-P3HT研究了手性诱导的OAM和CPE之间的关系。在手性诱导的OAM的作用下,手性NW-P3HT中的自旋弛豫时间显著减小,和电子空穴复合时间相当。因此手性NW-P3HT呈现出CPE现象。我们通过外加磁化和电场进一步调节由于手性诱导的OAM导致的能级劈裂,进一步调控了手性NW-P3HT中的CPE。我们还通过引入电子受体阻止电子的螺旋输运,从而抑制OAM的影响,最终使得电荷转移复合物中的CPE现象消失。手性诱导的OAM对手性NW-P3HT的CPE起着决定性作用,而且磁场可以有效调控有机手性材料中的CPE。手性NW-P3HT中的这种磁光耦合性质为它未来在光电子器件和显示等领域的应用起着关键作用,也为其在光学增强成像、光学传感器等方面的进一步应用提供广阔的空间。3、我们基于手性P3HT和手性NW-TPPS分别制备出了可见光波段和紫外光波段的CPL探测器。这两种CPL探测器都表现出优异的可逆性和稳定性。手性NW-P3HT的光探测率可以达到1.25 × 1011Jones。而手性NW-TPPS圆偏振光的探测率可以达到2.5 × 1012Jones。这两种手性超分子CPL探测器能够实现CPL探测的决定性因素并不是源于手性材料对LCPL和RCPL的吸收差,而是源于手性纳米螺旋结构诱导的OAM。手性螺旋结构诱导的OAM可以通过增强自旋-轨道作用使能级发生劈裂,从而使得LCPL和RCPL激发产生的光电流不同。这也为未来基于手性超分子材料的CPL探测器的设计提供了新的思路。
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