中科院化學所趙永生團隊J. Am. Chem. Soc.:有機Janus微球——一種實現全彩雙波長微型激光器的通用方法

【引言】

在單個微納體系中實現多色激光對于生物標記，全色激光顯示和多通道光通信等領域是十分重要的。寬顯示色域和高通量光子器件需要波長覆蓋整個可見光范圍的納米級多波長相干光源。在此之前，多波長微/納米激光器主要通過在單個器件上集成具有不同帶隙的增益介質來實現。由于短波材料的發射被窄間隙材料所吸收，嚴重抑制了高能區域的激光出射。在中耦合諧振腔中實現不同增益材料的空間分離可以使吸收損耗降到最小。這些復合微腔多數是由無機軸向異質結構構成的，它們的制備需要克服不同材料外延生長的晶格匹配的問題，因此限制了多波長激光的光譜范圍。

Janus顆粒的表面具有兩種不同的物理性質，有機聚合物Janus顆粒是典型的代表，每個顆粒一半由親水基團組成，另一半由疏水基團組成。基于“相似相容”原理，具有不同極性的有機激光染料可以選擇性地嵌入到單個Janus顆粒的兩個部分，這將形成典型的耦合腔，可以作為一種在空間上分離增益材料的通用方法。此外，較高兼容性使得聚合物材料可以與各種增益介質相結合，這原則上將提供通用的策略來構造在整個可見區域內可調諧的雙色微型激光器。然而，這仍然受到Janus顆粒的合成的限制，目前的合成方法很難得到尺寸中波長衍射極限以上的Janus微球。

【成果簡介】

近日，中科院化學所趙永生團隊報道了雙波長激光器的熒光Janus微結構的合成方法，其中每個粒子的兩側可以用親水和疏水染料分別摻雜。 在單個Janus粒子中實現了低閾值雙波長激光，并且激光性能高度依賴于Janus結構，從而提供輸出信號的有效調節。 該方法適用于所有親水性和疏水性有機染料，Janus激光器的發光顏色通過改變封裝染料調整為藍-粉至綠-橙，顯示出雙波長全彩激光器設計和制造的巨大潛力。這個工作將擴大Janus納米材料的應用范圍，并為微納體系中的光電子集成提供一種新方法。該成果以題為“Organic Janus Microspheres: A General Approach to All-Color Dual-Wavelength Microlasers”發表在J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文導讀】

Figure 1.微球的設計示意圖與形貌表征

(a).雙色發射Janus微球的設計示意圖

(b).雙色發射Janus微球的合成示意圖

(c).雙色發射Janus微球的光學顯微鏡照片

(d).SEM表征

(e).熒光照片

(f-h).不同PS和PMMA比例的微球的熒光照片

Figure 2.微球的表征

(a).微球熒光強度隨能量的變化

(b).CNDPASDB和Rh101熒光強度隨能量的變化

(c).不同PS和PMMA比例微球的熒光光譜圖

(d).λ₁²/Δλ₁與富含PS的半球的直徑之間的關系

(e).λ₁²/Δλ₁與富含PMMA的半球的直徑之間的關系

Figure 3.微球的表征

(a-d).熒光照片

(e).激光光譜

(f).色坐標

Figure 4.染料結構與光譜表征

(a,d,g).染料分子結構

(b,e,h).微球的熒光照片

(c,f,i).微球的激光光譜

【小結】

在這個工作中，作者開發出一種合成二元熒光有機Janus微球的方法，將其用作耦合的WGM諧振腔實現雙色微拿激光。 耦合的WGM腔可以單獨調制，提供在微小的Janus結構中實現新型光子功能的可能性。 此外，Janus微球的柔性和相容性使其可以通過摻雜各種染料靈活地設計來自兩個半球的激光波長，從而證明了雙色微激光器在整個可見光譜上的通用合成策略。 這個工作將為具有新穎性能和應用的多功能納米光子材料的設計提供新思路。

Organic Janus Microspheres: A General Approach to All-Color Dual-Wavelength Microlasers

(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b00362)

中國科學院化學所趙永生研究員課題組多年來一直致力于有機納米光子學材料與器件方面的研究，在多功能有機微納激光的可控制備（J. Am. Chem. Soc. 2011,133,7276-7279； Acc. Chem. Res.2014,47,3448-3458; J. Am. Chem. Soc. 2015,138,62-65; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1118-1121; Adv. Mater. 2016, 28, 4040-4046; Science Advances 2017, 3, e1700225; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3108-3112），有機微納體系中的激發態過程與光子學功能的關系（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8713-8717；Chem. Soc. Rev.2014,43,4325-4340; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129; J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 2122-2125；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11329-11332; Adv. Mater. 2017, 29, 1701558; Science Advances 2018,4,eaap9861），以及有機柔性光子學集成器件（Science Advances 2015,1,e1500257；Acc. Chem. Res.2016,49,1691-1700; Adv. Mater. 2016, 28, 1319-1326; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 13147-13150; Nature Commun.2019, 10, 870）等方面開展了系統的研究工作。?

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?

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