近日，安徽大學先進材料原子工程研究中心副教授陳爽和教授朱滿洲組成的科研團隊，設計并合成了具有橙色和紅色發光的金屬納米團簇，兩種金屬納米團簇的晶體都表現出優異的光波導性能，為有源波導和極化材料家族提供了新成員。這種材料在未來信息儲存、集成光學等領域具有潛在應用前景。相關研究成果日前發表在《科學》雜志上。
配體保護的金屬納米團簇具有原子級精確的結構和良好的光學性質等特點，非常適合用于光電器件，并且團簇的光學性質可以通過金屬摻雜、配體調控、價態調整等手段進行調控。因此，金屬納米團簇非常適合用作光波導材料。
由于金屬納米團簇間的多種弱相互作用，其晶體表現出一定程度的柔韌性，彎曲和分支狀態的晶體仍然具有明顯的光波導行為。金屬納米團簇的晶體結構和堆積方式的差異，使它們在光波導過程中表現出不同的偏振發光，進而使它們的晶體能表現出更強的光致發光。光致發光是指物體依賴外界光源進行照射，從而獲得能量，產生激發導致發光的現象。
“我們在一次實驗中偶然發現，團簇晶體在非聚焦光刺激下呈現邊緣亮、中間暗的特征，這是典型的光波導特性。”陳爽告訴記者，通過不斷地摸索嘗試，他們得到了不同形態的團簇晶體，發現這些晶體都具有優異的低損耗波導行為，并且不同團簇的偏振行為差異巨大。隨后，通過解析這些團簇晶體的空間結構，研究人員詳細了解了團簇結構與光波導和偏振行為的關聯性，從原子水平上弄清了其中的機理。
研究人員采用刻蝕的方法制備了金屬納米團簇，并通過改變激光束在一維棒狀晶體的不同位置，獲得了空間分辨率的光致發光顯微鏡圖像。計算表明，其光損耗系數數值低于大多數已報道過的有機、無機以及雜化材料的損耗。
研究人員介紹，金屬納米團簇光波導材料具有優異的性能。首先，金屬納米團簇的分子內相互作用抑制了非輻射躍遷，使得它們有更強的光致發光；其次，金屬納米團簇的分子間相互作用導致了晶體堆積致密、結晶度高和表面光滑，有效地減少了散射引起的損耗；再次，金屬納米團簇較大的斯托克斯位移能夠避免光在傳播過程中的重吸收。
光波導材料在光通信、光學傳感和光學計算等領域發揮著重要作用。研究人員表示，此次金屬納米團簇光波導行為的發現，填補了納米團簇光子性質研究的空白，為開發配體保護的金屬納米團簇作為活性光波導材料提供了理論基礎和應用前景，并為構建基于團簇的小型化集成納米光子器件提供了支持。
