鄭佑軒課題組在Nature Materials上合作發(fā)表最新研究成果
時間：2021-04-11 17:26:02學院：化學化工學院學校：南京大學
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??? 最近，鄭佑軒教授課題組和英國W.P. Gillin教授、P. B. Wyatt博士、西班牙I. Hernandez博士等在長壽命、高效率鉺配合物的合成及在光放大方面的應用研究取得突破進展，合作研究成果發(fā)表在最新的Nature Materials(2014, 13, 382-386)上。
??? 現代遠程電子通訊以世界范圍的光纜為基礎，由于數據損失，需要通過摻鉺的光纖放大器(EDFAs)來彌補光纖信號的衰減。但由于鉺離子自身的吸收非常弱，EDFAs 需要沿著10-30米長的摻鉺光纖軸向放置分離的泵浦激光器來實現粒子數反轉，從而實現光增益。這既需要高能泵浦激光器，又不能將摻鉺激光器的不同部件集成到同一基底上，這使得摻鉺激光器笨重而昂貴。雖然敏化鉺發(fā)光的研究工作已經進行多年，但一直未能制備出集合多種性能的適用材料。因為在大多數有機物中會出現CH或OH振動能量損失，鉺離子的發(fā)射會被淬滅，從而使量子效率非常低。
??? 鄭佑軒等通過把高量子效率的全氟化鉺配合物摻雜在全氟化的主體發(fā)色團分子中，實現了高吸收效率的主體發(fā)色團分子對鉺離子的有效耦合，就消除了鉺離子發(fā)射淬滅的問題(圖1)。同時由于高原子序數的氟原子會增加自旋軌道相互作用，從而導致系間穿越(ISC)效應增加，這會增加因自旋而能與鉺離子高效耦合的三線態(tài)。由于主體發(fā)色團中三線態(tài)具有很長的壽命，極大增強了敏化作用，使得敏化作用不僅來源于與鉺離子最近的主體發(fā)色團分子。用這種方法，實現了在有機主體材料中的鉺離子7%的量子效率（壽命為0.86 ms），敏化因子達到104數量級(其他體系的敏化因子只有大約為5)，這在有機體系中是一個新的紀錄。
 圖1 全氟化鉺配合物和主體發(fā)色團分子的吸收和發(fā)射光譜
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??? 進一步，在硅基底上成功制備了高光增益波導器件。使用非常低功率（3 mW，市售即可）藍光LED作為泵浦光源，即可實現鉺離子粒子數反轉（圖2)，達到至少15 dB/cm以上的光增益。本方法優(yōu)點是垂直泵浦結構不僅可以以廉價的LED取代了昂貴的激光器，而且不再用軸向泵浦，這就解決了目前硅基光子學中需要將激光器和波導精確地集成到一起這一重要技術難題。
 圖2 波導增益裝置圖和功率為3 mW的405 nm LED泵浦源所獲得的波導信號增益圖
? ??? 本研究成果表明，LED可能被集成到器件中的OLED所取代，甚至可以直接通過有機層的電子激發(fā)作為泵浦源，從而使非常簡單的激光器集成到硅基襯底以及芯片間的光通訊成為可能。
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