燕山大学在有机微纳激光器研究中取得重要进展

近期，燕山大学环境与化学工程学院王德松教授团队谷建民等人与中国科学院化学研究所合作，打破有机分子晶体的各向异性生长的限制，成功实现了边缘弯曲分子单晶结构的可控合成，填补了曲面单晶生长的技术空白，同时发现了有机微纳激光器的自聚焦现象。研究成果以“边缘弯曲分子晶体自聚焦微纳激光器(Nonconfinement growth of edge-curved molecular crystals for self-focused microlasers)”为题，于2022年10月21日在线发表于《科学》（Science）子刊《科学进展》（Science Advances）杂志。

微盘激光器（Microdisk lasers），以其在激光显示、高通量传感以及片上光通信等领域的应用潜力而受到广泛关注。边缘弯曲的变形微腔，可以通过打破微盘激光器的旋转对称性有效地将电磁能量集中到特定方向，实现光信号的可控、高功率输出。大多数变形微腔是通过高精度的蚀刻技术如光刻或电子束蚀刻在非晶材料或无机半导体上制备得到。与传统的光学增益材料相比，有机微/纳晶体不仅表现出良好的溶液可加工性以及分子可设计性，而且由于其丰富的能级和激发态过程，表现出优异的宽带增益性能。然而，由于有机晶体生长的自限性，晶体会自发地生长为对称的凸几何多面体外形，因此高质量的边缘弯曲有机微/纳晶体的合成仍然是一个技术壁垒。晶体的形状各向异性主要由其堆积方式的固有各向异性以及基本单元之间的相互作用决定的。通常分子单元的结构更复杂、几何对称性更低，因此大多数分子晶体在宏观形态上比原子晶体具有更强的各向异性。如何通过分子设计、晶体合成条件优化调整分子间的相互作用以及分子的堆积方式，打破分子晶体的生长各向异性，实现边缘弯曲分子晶体的可控合成，已经成为了有机微纳材料领域的重要科学问题。

研究团队提出了一种液相“非限制“生长策略，利用分子结构调控结合溶剂-反溶剂协同效应，实现了“眼形”边缘弯曲有机单晶的高效可控制备。4,4'-Bis[4-(di-p-tolylamino)styryl]biphenyl（DPAVBi）和4,4'-Bis[4-(diphenylamino)styryl]biphenyl（BDAVBi）是两个具有相同骨架但不同取代基的分子，由于其出色的激发态增益特性，被选为模型化合物。与DPAVBi相比，BDAVBi分子上的苯基位阻较低，可以有效避免π-π相互作用以抑制晶体中的紧密各向异性堆积，从而促使晶体边缘出现丰富的高指数晶面，进而构成了准连续的曲面。在液相自组装过程中，控制分子的过饱和度可以进一步调节这些晶面的生长速度，有利于形成光滑的弯曲边缘，以及调控弯曲边缘的曲率。研究团队制备得到的“眼形”微晶可以作为变形微腔，同时实现低阈值的激光和高Q模式激光的自聚焦发射。这些结果有助于深入了解功能分子晶体的设计和合成，并促进有机活性材料在集成纳米光子芯片中的应用。

图为边缘弯曲分子晶体自聚焦激光定向发射。（A）“眼形”微晶的光学显微图像。（B）“眼形”微晶在x-y平面的模拟电场分布。（C）“眼形”微晶的顶面和底面的PL图像。（D）“眼形”微晶的顶面和底面的远场发射图。（E）“眼形”微晶的角度分辨PL光谱。（F）用洛伦兹函数拟合不同长宽比值的“眼形”微晶的远场发射图。（G）“眼形”微晶的激光发散角分布图。

眼形微晶的制备

该工作得到国家重点研发计划（2018YFA0704802）、河北省自然科学基金（B2020203013）项目的资助。论文的共同第一作者为尹百鹏和梁洁，通讯作者为张闯研究员（化学所），谷建民副教授（燕山大学），赵永生研究员（化学所）。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8106