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有机纳米材料优良的光电性能,使其在新一代微型器件中具有潜在的应用,从而受到了人们日益广泛的关注。从有机功能小分子相互作用入手,通过有效的制备方法控制其生长过程,形成具有特定结构及优异性能的有机纳米材料,是探究微纳尺度下的物性规律并构筑功能化器件单元的重要手段。
本工作通过液相分子组装可控合成了一系列有机晶体微纳结构,从光与有机分子作用的角度,系统研究了低维结构对光的传播和限域行为,以及分子基态、激发态与光子的相互作用机制:优化结构制备出有机纳米线光学微腔,实现了双光子泵浦的受激发射行为,证明了激子-光子耦合在有机波导中的重要作用;利用激子的能量转移对发光行为进行调控,在二元纳米体系中实现了复合颜色的发光和波导输出;利用二元体系中分子间作用力对分子组装过程的影响,设计合成出一维发光微米异质结构,调控其发光颜色的空间位置分布;设计并构筑出有机异质结光子学功能单元,根据其中的光传导和激子转化机制,发展了可用于光信号处理的有机纳米光子学元件。
1.利用表面活性剂诱导双光子染料分子DPBT的液相组装,形成了具有矩形截面和平整端面的单晶纳米线FP谐振腔结构(品质因数Q=57)。在低温光波导性质的研究中发现,纳米线中激子能够与辐射的光子强耦合形成激子极化激元(EP),改变FP微腔的光学色散性质,实现EP在纳米线中的传播和谐振,有效地降低了受激发射的泵浦阈值,从而实现基于单晶有机纳米线的双光子泵浦激光;为提高微纳米结构对光的限域,利用液滴表面张力诱导有机分子组装成为微米环形结构,实现了回音壁模式(WGM)的有机光学谐振腔(Q>300)。
2.利用液相化学反应制备了(BT)2Ir(acac)-perylene核壳纳米粒子,研究了体系中三线态能量转移过程和上转换荧光性质;制备了(BT)2Ir(acac)掺杂的DPA纳米线波导结构,结合复合结构中的三线态能量转移与单线态能量转移过程,在光的传播过程中进行两种分子激发态间的可逆转化,依靠激子数目涨落实现了复合颜色光的调制输出。
3.以TPI分子的自组装结构为主体,分别研究了(BT)2Ir(acac)和BPEA两种掺杂分子参与的液相协同组装过程,阐明了分子结构与相互作用对二元有机微纳结构形成的影响机制,通过控制掺杂组分的分布实现了蓝色-橙色和蓝色-绿色的分段式结构,实现对单个微米结构的空间发光颜色和发光寿命的调控,对其中的激子传输和光传播特性进行了探索。
4.根据分子间作用方式优化TPI复合体系,选择Coumarin6作为高相容性的掺杂分子,同时结合荧光能量转移和Coumarin6聚集光谱红移两个过程,得到了红绿蓝多色发光的有机异质波导结构,利用光传导过程中的激子迁移和转化,实现了对光信号的方向性传输和开关控制,设计出具有高响应性和可级联性的微纳光信号处理元件。
本文深入探索了有机微纳米材料在光子学中的潜在应用,不同于以往的从结构出发寻找性能的研究方法,力求通过对微纳尺度下光的传播行为和光化学过程的认识,理性构筑微观材料结构来实现预期的光子学功能,为有机光功能材料的设计和应用提供了一条新思路。