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浙大在光子功能MOFs材料领域取得系列进展

2016-05-02 00:10
棒棒书香
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  与单光子泵浦激光相比,多光子泵浦激光的激发波长位于长波波段,对生物组织的穿透性强、光学损伤小、空间选择性高。具有高偏振度的多光子泵浦激光由于兼具偏振光和多光子泵浦激光的优势因而在医学成像、光动力学治疗等生物光子学领域有着重要的应用前景。然而,由于现有激光增益材料难以同时满足大的多光子吸收截面和激射效率以及高度一致的取向性等要求,目前仍无法获得高偏振度的多光子泵浦激光。

  针对这一难题,浙江大学材料科学与工程学院的钱国栋教授和崔元靖副教授课题组创新性地提出在金属-有机框架材料(MOFs)的孔道中有序组装有机激光染料来获得高偏振度多光子泵浦激光的设计思路。他们采用锌离子与多齿有机配体7-(4-羧基苯基)-3-羧基-喹啉配位合成了具有一维孔道的MOFs材料ZJU-68,并利用孔道的限域作用原位组装且高度取向的有机激光染料分子,使其量子效率从溶液状态的0.45%大幅提高到24.28%,同时利用MOFs单晶的天然晶面作为谐振腔的反射镜面,首次获得了高偏振度(大于99.9%)的三光子泵浦激光,其品质因子Q值高达1700。这一研究思路为新型微腔激光材料和器件的设计制备提供了新的途径和方法。相关成果“Polarized three-photon-pumped laser in a single MOF microcrystal”于3月17日在线发表于《自然·通讯》(Nat. Commun., 2016, DOI: 10.1038/ncomms11087)。该论文的第一作者为何桦浚,崔元靖和福建物构所马恩为共同第一作者,福建物构所陈学元研究员课题组协助完成了激光性能的测试。

  图1  DMASM分子在MOFs材料ZJU-68中的原位组装,图来源:Nature Communications

  图2  组装染料后MOFs材料的三光子泵浦激射性能,图来源:Nature Communications

  此外,该课题组在利用MOFs材料开展荧光传感、白光LED、光信息存储等光子功能应用方面也取得了系列进展。通过在含Eu3+的稀土-有机框架材料ZJU-88孔道中原位组装二萘嵌苯分子,成功实现了在20-80 ℃生理温度区间的比例型自校准荧光温度传感(Adv. Mater., 2015, 27, 1420, DOI: 10.1002/adma.201404700);采用后功能化组装方法制备获得了具有优异白光发射性能的MOFs材料ZJU-28éDSM/AF (0.02 wt% DSM, 0.06 wt% AF),其发光颜色的色坐标为(0.34, 0.32),显色指数与色温分别为91和5327 K(Adv. Funct. Mater., 2015, DOI: 10.1002/adfm.201501756);设计合成了具有光敏响应的MOFs材料ZJU-56-0.20,利用710 nm的飞秒激光在框架材料单晶内部诱导制备了具有多层结构的高分辨单/双光子荧光微图案,其体积分辨率可高达 1×1×5 μm3(存储密度为Tbits/cm3量级),相关成果发表于《美国化学会志》期刊上(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 4026, DOI: 10.1021/ja512552g)。

  基于上述系列成果,该课题组应邀在著名综述期刊《化学研究评述》(Acc. Chem. Res.)上发表了综述论文“Metal-organic frameworks as platforms for functional materials”(DOI: 10.1021/acs.accounts.5b00530)。

 

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