深圳大学余振强教授《自然·通讯》：可拉伸光子晶体薄膜实现机械调控上转换发光与圆偏振发光

近年来，基于三重态-三重态湮灭的光子上转换技术因其能将低能量光子转化为高能量光子而备受关注，在生物成像、光伏器件和信息加密等领域展现出广阔前景。然而，该技术大多局限于脱氧溶液环境中，固态材料在变形时难以实现高效且可调控的上转换发光，尤其是同时实现发光强度与圆偏振特性的动态调控仍是一大挑战。

近日，深圳大学余振强教授、国家纳米科学中心段鹏飞研究员和卡尔斯鲁厄理工学院赵炵翰博士合作成功制备出具有机械响应性能的上转换可拉伸光子晶体薄膜。该薄膜在拉伸过程中不仅实现了上转换发光强度的动态调控，还能反转圆偏振发光的手性方向，其发光不对称因子可从+0.50变化至-0.60。这一突破为柔性显示与多级信息加密提供了新型材料平台。相关论文以“Mechanically steered photon upconversion and circularly polarized luminescence in stretchable photonic crystal films”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过各向异性溶胀法结合两步硫醇-丙烯酸酯加成与光聚合反应，成功将光敏剂PtTPBP和发光体BPEA嵌入可拉伸液晶弹性体中，制备出具有螺旋超结构的SPC薄膜。图1展示了薄膜的化学组成及其上转换圆偏振发光机制：在红光激发下，体系通过三重态能量转移与湮灭过程实现绿光发射，并因螺旋排列结构产生圆偏振发光。

图1 | 上转换可拉伸光子晶体薄膜的组成与基本性质 a. 用于制备上转换SPC薄膜的二丙烯酸酯介晶、手性掺杂剂、交联剂、扩链剂以及光敏剂/受体对的化学结构。 b. 在三重态-三重态湮灭光子上转换过程中，包括从光敏剂到受体的三重态-三重态能量转移以及两个三重态受体之间的湮灭，从而在薄膜微观螺旋网络中实现上转换圆偏振发光的示意图。 c. 可逆机械调控的光子带隙、上转换光致发光和上转换圆偏振发光的示意图。

图2进一步揭示了薄膜的制备流程与上转换发光性能优化过程。通过调控BPEA浓度与PtTPBP比例，研究人员确定了最佳配比，使薄膜在空气中即可实现高效上转换发光，并验证其符合TTA机制的双对数斜率特征及长寿命三重态特性。

图2 | 薄膜制备与上转换光致发光性能 a. 通过各向异性溶胀法结合两步硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成与光聚合反应制备上转换SPC薄膜的流程示意图。 b. 薄膜在自然光、365纳米紫外灯和639纳米激光下的照片。 c. 不同浓度BPEA在液晶中的荧光光谱。 d. 不同激发功率密度下的上转换发光强度。 e. 上转换发光强度随激发强度的双对数曲线。

在动态拉伸实验中，图3记录了SPC薄膜在机械应力作用下的光学响应。随着拉伸程度增加，薄膜结构色从红经绿向蓝转变，光子带隙发生蓝移。尤为重要的是，当带隙边缘与上转换发射波长重合时，原本因拉伸而减弱的发光强度显著增强，证实了带隙边缘对发光的增强效应。

图3 | 各类薄膜在动态拉伸下的基本性质 a. SPC薄膜在机械拉伸过程中的照片。 b. 初始与100%应变状态下薄膜的广角X射线衍射图样。 c. 初始薄膜在不同应变下的透射光谱。 d. 薄膜在不同拉伸长度下厚度与上转换发光强度的关系。 e. 有无光子带隙的薄膜在拉伸过程中上转换发光变化示意图。

图4则集中展示了圆偏振发光的动态调控能力。随着薄膜拉伸，UC-CPL信号从左手性反转为右手性，发光不对称因子由正转负。通过圆二色谱与偏振光学分析，研究团队阐明该现象源于光子带隙与发射波长的重合导致的偏振选择性反射。

图4 | 上转换圆偏振发光的动态调控 a. 拉伸过程中光子带隙与上转换发光波长的关系。 b. 初始与拉伸状态下薄膜的上转换圆偏振发光光谱。 c. 初始与拉伸状态下发光不对称因子随波长的分布。 d. 多次拉伸-释放循环中发光不对称因子的可逆变化。 e. 拉伸前后薄膜在偏光显微镜下的图像。 f. 初始与拉伸状态下薄膜的广角X射线衍射图。 g. 上转换圆偏振发光动态调控机制示意图。

最终，图5演示了该类薄膜在信息加密与动态显示中的实际应用。受蝴蝶翅膀自调控机制启发，团队制备出蝴蝶形SPC薄膜，通过机械操控实现结构色与圆偏振发光的同步切换。此外，基于不同薄膜组合的二进制编码信息“CPL”可在自然光下隐藏，而通过圆偏振滤光片或上转换发光通道方可解密，展现出多层次防伪能力。

图5 | 上转换SPC薄膜在动态信息加密与解密中的应用 a. 蝴蝶翅膀在折叠与展开时结构色的自然调控机制。 b. 仿生蝴蝶形薄膜在不同状态下的光学表现：自然光下的结构色、639纳米激光激发下的上转换发光及其在左右旋圆偏振滤光片下的对比图像。 c. 基于结构色与上转换发光的二进制信息加密与解密演示。

该研究通过机械拉伸实现了对上转换发光强度与圆偏振特性的双重调控，不仅深化了对光子带隙调控发光机制的理解，也为开发新一代智能显示与信息加密材料奠定了坚实基础。未来，这类材料有望在柔性电子、光学防伪与三维显示等领域发挥重要作用。