锂掺杂碳纳米环有望用于下一代光学器件

非线性光学材料是先进光子学和激光技术的关键，但研究者仍在探索优化有机碳基替代材料的方法。科学家通过计算建模发现，在由12个苯环构成的碳分子外侧添加一个锂原子，可产生具有极强光学响应的材料。这种性能提升源于碳环天然电子共享与锂致电荷转移的协同作用。该发现为未来开发高性能碳基光子器件奠定了基本设计原则。

非线性光学是研究强光与物质相互作用的物理学分支，在激光、光开关和电信等技术中起着关键作用。以碳为主要成分的有机分子因其电子特性易于调控，在这些应用中备受青睐。

由苯环组成的环对苯撑是一类新兴的独特材料。此前研究表明，对含10个苯环的分子环进行锂掺杂可改善其光学活性，但这种增强的确切机理以及不同环尺寸的性能差异尚不明确。

图解摘要

为填补这一知识空白，研究人员采用先进计算机模拟，分析了由12个苯单元构成的更大、张力更小的分子——[12]环对苯撑。研究团队模拟了锂原子分别位于碳环内外的情况，并将其与碳纳米带等含12个苯单元的结构类似物进行性能比较。对比凸显了[12]环对苯撑独特的开环结构对外部掺杂的响应优于那些边缘融合的结构。

模拟显示，将锂原子置于[12]环对苯撑外侧可显著提升其第一超极化率——衡量非线性光学强度的指标。这种特定构型在标准测量单位下获得了高达385.70×10^-30esu的优异光学响应值，超过了更小的10苯环版本和此前报道的锂掺杂碳体系。

研究人员发现，这种巨大增强源自协同效应：大碳环通过共享电子提供强大的芳香性基线，而锂原子通过降低电子跃迁所需的能隙驱动电荷转移，使材料更易受光激发。可视化分析还证实，光学响应主要集中在碳骨架平面内，而非锂原子上。该论文发表于《化学物理学》期刊。

这些发现确立了锂掺杂[12]环对苯撑作为高性能有机光学材料极具前景的候选者地位。通过阐明分子形状、电子共享和电荷转移之间的相互作用，这项研究为设计新材料提供了统一准则。尽管计算机模型显示锂原子因热力学稳定性更倾向位于环内，但在室温下它可轻易迁移至光学活性更强的外侧。这些基础性认知最终为定制化碳基元件的理性设计铺平了道路，有望应用于下一代光子与光学器件。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1016/j.chemphys.2026.113237