华南师范大学胡小文AEL：分子马达掺杂胆甾相液晶实现钙钛矿放大自发辐射的手性反转

可按需调谐发光旋性的圆偏振光源在光信息传输、3D显示及偏振成像等高度集成化的光学平台中具有巨大的应用潜力。然而，相比于线偏振光的偏振调谐，圆偏振光的偏振调谐，尤其是旋性调谐目前仍存在着巨大的困难与挑战。

华南师范大学周国富团队胡小文等人利用光响应分子马达掺杂胆甾相液晶材料的动态调谐能力，以及具有优异光增益特性的钙钛矿多晶材料，协同开发了原位调控发光旋性的集成化圆偏振发光器件。结果显示，得益于光响应胆甾相液晶可靠的选择性反射能力和动态调谐特性，在弱紫外光刺激下，器件出射圆偏振不对称因子（glum）为-1.38的右旋圆偏振放大自发辐射（CP-ASE）；而在强紫外光刺激下，器件则发生旋性反转，出射glum为+1.22的左旋CP-ASE。并且可通过不同强度的紫外光刺激，实现glum从-1.38至+1.22的连续可调，实现从右旋→无旋性→左旋的按需切换。由于器件采用叠层处理，因此仅需更换钙钛矿卤素组分，同时匹配液晶材料的光子带隙，该圆偏振光子平台具备多波长发射、旋性按需调控的能力，为集成光子学、偏振光学提供了重要的研究参考。

图1. 手性反转圆偏振光子器件的结构示意图与器件工作原理

文中的器件结构采用了叠层的设计思路，如图1a所示，由光响应胆甾相液晶材料组成光调谐层，有机-无机钙钛矿多晶膜作为光增益层，PET薄膜作为光防护层，形成（光调谐/光防护/光增益）的叠层器件结构。图1b展示了光响应胆甾相液晶材料的手性反转过程，在紫外刺激下，液晶的螺距逐渐变大；在特定的紫外光强下，液晶短暂解螺旋，并随紫外光强的提高而重新快速反向螺旋化，这是本工作手性反转的核心工作机制。器件的工作原理如图1c所示，当使用fs激光作为泵浦源，钙钛矿材料出射ASE，在低功率紫外辐照时，器件出射右旋CP-ASE；而在高功率辐照时，器件则发生手性反转，出射左旋CP-ASE。

图2. 光响应胆甾相液晶材料的性能表征

图2对光调谐层进行了系统探究。本工作采用光驱动分子马达材料作为光响应的功能核心，将一定量的分子马达掺杂到小分子E7液晶中，具有R和S构型的马达能起到手性掺杂剂的作用，诱导小分子液晶自组织成胆甾相液晶。在紫外光辐照下，胆甾相液晶的结构色发生连续红移（图2c），反射光谱上同样观测到光子带隙随紫外辐照而移动的现象（图2d, e），证明了其光调谐特性。此外，通过精确控制紫外辐照的功率，可以将胆甾相液晶的光子带隙稳定在特性的波长范围内，为后续多波长圆偏振发光器件的构建提供了可行性验证。

图3. 有机-无机钙钛矿材料的光学性能表征

图3对钙钛矿多晶材料的增益特性进行探究。如上图所示，通过反溶剂一步旋涂法，制备得到结晶性能优异、无针孔的MAPbI3多晶薄膜材料。得益于钙钛矿多晶材料高的光增益系数，在515nm的fs激光泵浦下，材料随泵浦功率的提高，逐渐出现ASE的光增益现象（图3d）。在表面PMMA层的保护下，钙钛矿多晶材料结构完整性优异，激射阈值较低。为了防止用于调控光响应液晶的紫外光泄露，对钙钛矿层造成影响，掺杂了紫外吸收剂的PET薄膜被设置在胆甾相液晶层和钙钛矿层之间。图3f验证了PET薄膜对钙钛矿材料的光防护能力，在连续5分钟的紫外辐照下，钙钛矿的发光强度没有发生明显波动。图3g为本工作的圆偏振光学性能测试系统，为了同时测试得到左旋与右旋分量，本工作采用双探测光路体系，允许同时接收左旋与右旋信号强度。

图4. 器件的圆偏振光学性能表征

图中展示了器件的工作状态示意图：在fs激光泵浦下，器件开始工作，当使用弱紫外光辐照时，器件出射右旋CP-ASE，此时测量得到圆偏振不对称因子（glum）为-1.38；而当使用强紫外光辐照时，器件出射左旋CP-ASE，测量得到glum为+1.22。并且可实现glum从-1.38至+1.22的连续可调，实现发光偏振态从“右旋→无旋性→左旋”的动态调谐。通过精确控制紫外辐照功率，器件能稳定输出特定旋性的圆偏振光（图4f），并且在多次on-off测试中保持优异的稳定性。

图5. 多色圆偏振发光器件应用探索

得益于叠层的器件结构设计，可通过简单更换钙钛矿的卤素组分，实现多发射波长切换；同时，搭配上光响应液晶材料的宽波长调谐范围，这赋予器件在多色圆偏振发射上的可行性。如图5b，通过精准控制紫外光功率，将胆甾相液晶光子带隙与不同的光发射波长相匹配，器件实现了多波长圆偏振发光验证，图5c,d展示了多色圆偏振光子器件的glum变化情况，表现出优异的可调谐能力。与领域内动态偏振态调谐的研究相比，本工作实现了Δglum为2.6的宽范围调谐，为高度集成化偏振光源提供了设计参考。

以上研究成果得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市科技计划项目、广东省光信息材料与技术重点实验室、教育部光信息国际合作联合实验室以及国家高等学校学科创新引智计划111引智基地以及深圳市科技计划等项目的经费支持。

文章链接： https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c03023

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