金属纳米团簇：一种新的光波导材料

科技日报记者 吴长锋

近日，安徽大学先进材料原子工程研究中心陈爽副教授和朱满洲教授组成的科研团队，发现配体保护的两种金属团簇材料具有优异的光波导性能，研制的两种金属团簇的晶体排列和分子取向导致了其极高的极化比，光损耗系数低于大多数无机、有机和杂化材料，为有源波导和极化材料家族提供了新成员。这在未来信息储存、集成光学等领域具有潜在应用前景。相关研究成果日前发表在期刊《科学》上。

发现金属纳米团簇中的光波导行为

光波导是实现光电集成和光子集成的关键。目前，多种光子纳米结构被开发用作光波导材料，但它们仍然存在着光学损耗高和制造工艺复杂等问题。而配体保护的金属纳米团簇具有原子精确的结构、良好的光学性质和较大的斯托克斯位移，这些特点使其非常适合用于光电器件，并且团簇的光学性质可以通过金属掺杂、配体调控、价态调整等手段进行调控。因此，金属纳米团簇非常适合用作光波导材料并探索其结构与性质之间的联系。

研究人员设计并合成了具有橙色和红色发光的纳米团簇，两种纳米团簇的晶体都表现出优异的光波导性能，它们的光损耗系数低于大多数有机、无机以及杂化材料。并且，这种光波导性质在金属纳米团簇中具有一定的普适性。

由于纳米团簇间的多种弱相互作用，纳米团簇晶体表现出一定程度的柔韧性，弯曲和分支状态的晶体仍然具有明显的光波导行为。由于纳米团簇的晶体结构和堆积方式的差异，它们在光波导过程中表现出了不同的偏振发光，使得它们的晶体能表现出更强的光致发光。

“在一次实验中偶然发现，团簇晶体在非聚焦光刺激下呈现边缘亮，中间暗的特征，这是典型的光波导特性。”陈爽向记者表示，仅止于此是远远不够的，要想知道团簇为什么会呈现如此优异的光子传输性能，必须从原子水平上了解这一过程。

通过不断地摸索尝试，研究人员得到了不同形态的团簇晶体，发现这些晶体都具有优异的低损耗波导行为，并且不同团簇的偏振行为差异巨大。随后，通过解析这些团簇晶体的空间结构，详细了解了团簇结构与波导和偏振行为的关联性，从原子水平上实现了“知其然知其所以然”，弄清了其中的机理。

 研究人员采用刻蚀的方法制备了纳米团簇，并通过改变聚焦激发激光束在一维棒状晶体的不同位置，获得了空间分辨的光致发光显微镜图像。计算表明，其光损耗系数数值低于大多数已报道过的有机、无机以及杂化材料的损耗。

另外，研究人员发现团簇的光波导有着良好的热稳定性和溶剂稳定性，还发现了光波导在金属纳米团簇中具有一定的普适性，表明纳米团簇是一种合适的光波导材料。

三大优异性能，有重要的潜在应用价值

研究人员表示，金属纳米团簇光波导材料具有优异的性能。首先，纳米团簇的分子内相互作用抑制了非辐射跃迁，使得它们有更强的光致发光；其次，纳米团簇的分子间相互作用导致了晶体堆积致密、结晶度高和表面光滑，有效地减少了散射引起的损耗；第三，纳米团簇较大的斯托克斯位移能够避免光在传播过程中的重吸收。

正是由于光波导具有抗干扰能力强、保真度高等特点，其广泛应用于光电调制器、光子耦合器、光子电路等领域。而光波导材料在光通信、光学传感和光学计算等领域发挥着重要作用。

研究人员表示，此次金属纳米团簇光波导行为的发现，填补了纳米团簇光子性质研究的空白，丰富了有源光波导和偏振发光材料的研究，为开发配体保护的金属纳米团簇作为活性光波导材料提供了理论基础和应用前景，并为构建基于团簇的小型化集成纳米光子器件提供了支持，未来将有非常重要的潜在应用价值。

（安徽大学供图）