西安交通大學(xué)在多光學(xué)形態(tài)光子晶體研究方面取得重要進展

將光致發(fā)光（PL）尤其是長壽命室溫磷光（RTP）現(xiàn)象集成到周期性亞微米結(jié)構(gòu)中以構(gòu)建多光學(xué)形態(tài)光子晶體（PC）是目前光學(xué)功能材料及相關(guān)器件重要發(fā)展趨勢，但這種集成極具挑戰(zhàn)性。這一方面是由于RTP的實現(xiàn)需要剛性基質(zhì)以穩(wěn)定三重態(tài)激子并抑制非輻射躍遷，但這些基質(zhì)往往不具備周期性結(jié)構(gòu)，不能對光產(chǎn)生選擇性反射。另一方面，由于光子晶體材料和RTP材料制備方法差異很大且與光相互作用的物理機制沒有關(guān)聯(lián)性，使得發(fā)光單元與光子晶體陣列之間的兼容性和可組合性顯著降低。

針對這一問題，西安交通大學(xué)物理學(xué)院研究人員提出了一種新穎的通用性策略來制備具有三重光學(xué)形態(tài)的光子晶體（三態(tài)PCs）。通過高溫煅燒內(nèi)部封裝有熒光碳點（CDs）的SiO2納米顆粒，形成具有規(guī)則形貌的單分散磷光SiO2納米球（RTP-CDs@SiO2）并自組裝成三態(tài)PCs。該PCs的三種光學(xué)模式在不同光源環(huán)境刺激下可以無縫切換，即在日光下具有虹彩結(jié)構(gòu)色、紫外光照射時發(fā)出明亮的PL以及關(guān)閉紫外光后產(chǎn)生時間依賴的RTP。研究表明，高溫煅燒產(chǎn)生磷光的內(nèi)在物理機制是由于強C-Si共價鍵網(wǎng)絡(luò)的形成進而穩(wěn)定了激發(fā)三重態(tài)。進一步發(fā)現(xiàn)，磷光不依賴于所包裹CDs的表面缺陷類型或雜原子摻雜，因此證明所提出的制備方法具有通用性。此外，研究人員在該材料的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)了熱響應(yīng)三態(tài)光子凝膠。通過簡單調(diào)整凝膠的環(huán)境溫度（8°C~43°C），可以巧妙地將物理發(fā)光（結(jié)構(gòu)顏色和透光率）與化學(xué)發(fā)光（PL和RTP）相聯(lián)立，并且這些光信號在不同光傳播模式下表現(xiàn)出互補償特性。最后，研究人員展示了三態(tài)光子凝膠在可回收智能窗和多維信息加密等領(lǐng)域的應(yīng)用場景，表明該材料在未來新型光學(xué)器件設(shè)計方面的廣闊的應(yīng)用前景。這一工作為物理色（結(jié)構(gòu)色）和化學(xué)色（PL和RTP）的有機整合和系統(tǒng)集成開辟了新的途徑，其豐富的光學(xué)性質(zhì)有助于相關(guān)材料及光學(xué)器件的設(shè)計、研究向更高水平發(fā)展。

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單分散磷光SiO2納米球、三態(tài)光子晶體和三態(tài)光子凝膠的制備過程

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三態(tài)光子凝膠的熱響應(yīng)光學(xué)特性

該成果近日發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上，西安交通大學(xué)物理學(xué)院為唯一通訊單位，文章第一作者是西安交通大學(xué)物理學(xué)院博士生王昌興，西安交通大學(xué)物理學(xué)院盧學(xué)剛教授、楊森教授為論文通訊作者。該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目，國家自然科學(xué)基金和陜西省自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408632