稀土金属-有机框架微纳材料:构建光波导和手性偏振新体系

在稀土功能材料领域,镧系金属-有机框架(Ln-MOFs)是一类重要的有序晶态化合物,具有丰富的电子结构和优良的光物理性质(如特征发射峰尖锐、发光效率高等特点)。近年来,Ln-MOFs发光材料在生物成像、光学防伪、传感器、光纤通讯、激光系统等领域具有重要的应用价值,引起了研究者们的极大关注。通常而言,分子基功能材料的光学性质不仅依赖于分子内/分子间激发态过程(如激子产生、迁移、转化、复合和分离),还取决于材料形状、尺寸和维度。后者通过反射、折射和衍射极大地影响该类材料的光学行为。

在过去二十年中,一维微纳材料由于其独特的物理化学性质和在微纳器件领域中的应用受到广泛关注。例如,微纳尺度光波导材料由于在光通讯领域的应用引起了研究者的极大兴趣。到目前为止,关于光波导材料的研究主要集中于无机半导体、有机发色团和高分子聚合物材料。理论上讲,Ln-MOFs可以作为一种潜在的新型光波导材料,主要基于以下设想:(1)通过选择有机发色团和不同稀土离子可以实现高量子产率和发光颜色可调;(2)有机配体和稀土离子在空间的有序排列可以减少光传输过程中的能量损失;(3)相对于纯有机体,金属-有机杂化体具有较高的光稳定性。然而,目前关于微纳尺度Ln-MOFs光输运材料的研究还鲜有报道。

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基于以上科学问题和应用需求,北京师范大学化学学院闫东鹏教授和中科院化学所赵永生研究员合作,通过选择合适的分子磷光体做为天线配体以实现稀土离子高效敏化,采用溶剂热法合成出晶型同构以及具有手性空间群的一维Ln-MOFs微米棒。研究结果表明,选择或掺杂不同的Eu/Tb稀土离子,可以使Ln-MOFs具有不同的发光颜色(绿、橙、红)。由于能级匹配,磷光配体对稀土离子具有很好的敏化效果,同时稀土离子的共掺杂有利于稀土离子之间的高效能量传递。所合成的Ln-MOFs展现了高的发光量子产率(25.85%,58.84%和61.71%)和长时发光寿命(0.806,1.435和1.900 ms)。

基于Ln-MOFs良好的发光性能和易于观察的光波导行为,研究者进一步利用空间分辨光谱分析技术对Ln-MOFs微米棒的光波导性能进行研究。这些微米尺寸Ln-MOFs的光损失(波导损失系数在0.012~0.033 dB/μm之间)小于已报道的多数有机发色团,并接近于无机材料。同时,这些手性Ln-MOFs还体现出高各性异性的线性偏振和手性偏振光发射。

研究者认为,此项工作将促进稀土化合物在微纳尺度光功能材料的研究,并为该类一维稀土材料在光通讯和偏振发光领域的应用提供新的思路。相关研究工作发表在近期出版的Angewandte Chemie International Edition(DOI : 10.1002/anie.201703917)上,并被期刊评选为Very Important Paper。