前沿| 基于一维有机晶体的光波导

导读

      一维有机微纳晶体的光波导是微型集成光子学器件的关键元件。由于独特的光与物质的相互作用，一维有机微纳晶体在多通道信号转换、有机场效应光波导、光探测器和光逻辑门等光子学器件方面具有广阔的应用前景。2021年3月6日，苏州大学廖良生教授团队在 PhotoniX 期刊最新上线论文“Optical waveguides based on one-dimensional organic crystals”。论文从光波导的性质及其在光子学器件中的应用等方面，详细介绍了近年来基于固体、柔性、空心、均匀掺杂、核壳、枝杈和嵌段结构的一维有机微纳晶体光波导研究进展，并对一维有机微纳晶体的光波导在集成光子学中的发展与应用进行展望。

研究背景

      光波导是引导光波在其中传播的介质装置，是微型集成光子学器件的重要组件。高锟教授因为在光波导纤维通讯研究与发展领域做出了巨大贡献，开创了人类信息交互技术的新时代，荣获了2009年诺贝尔物理学奖。迄今为止，已经开发出了微纳米级的光波导，并应用于微型光子学器件的光传输。值得注意的是，有机半导体分子材料具有分子可裁剪、光电特性可调以及可溶液加工处理等特性，在构筑高性能光子学器件方面展现出巨大的应用前景。有机半导体分子材料自组装的有机微纳晶体秉承了其单晶块材规则形貌、有序分子排列和低缺陷密度等优势，最能体现有机半导体分子的本征光电特性，研究光与物质间的相互作用，广泛应用于有机固体激光器、场效应晶体管和光波导等各类光子学器件。一维有机微纳晶体因较大的长径比而具有独特的二维限域作用，对光子、电子和激子在晶体内部传输具有定向特性，被认为是“高效的光波导”的传输介质。

综述要点

      本文首先介绍了一维有机晶体光波导的基本原理并且分析了一维有机晶体光波导的各种影响因素，包括表面基底效应、晶体内部缺陷和晶体横截面尺寸。并进一步介绍了一维有机微纳晶体光波导基于固体、柔性、空心、均匀掺杂、核壳、枝杈和嵌段结构（图1）的波导性能，同时讨论和比较了这几种结构的不同，重点综述了上述光波导在光逻辑门、光路由器、多通道信号转换器、波导调制器和化学传感器等领域的研究与应用（图2）。最后提出一维有机微纳晶体精确合成所面临的挑战并提出解决问题的方法和策略。

主要作者介绍

      陈松，于2019年获得淮北师范大学物理与电子信息学院的理学学士学位。目前，他正在廖良生教授和王雪东副教授的指导下攻读硕士学位。他现在的研究兴趣主要为有机功能微纳晶体的可控制备。

      王雪东，副教授，主要从事有机半导体分子微纳晶态结构的可控制备及其光子学研究。具体是从分子结构、激发态化学、低维晶态材料结构及其光子学功能的角度，在理论上研究有机分子聚集体与光子产生/传输机制的关系，在实践上探索有机低维晶态结构的可控合成及其光子学集成器件构筑，建立“分子结构-分子聚集体-微纳晶结构-光子学性能”的内在联系，为有机集成光子学以及有机电泵浦激光的最终实现提供了研究基础。研究成果以第一或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Matter, CCS Chem., Laser Photonics Rev., Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz., ACS Photonics等化学、材料、光学等领域重要学术刊物上发表论文49篇。

      廖良生（通讯作者），苏州大学功能纳米与软物质研究院教授、博士生导师，江苏省产业技术研究院有机光电技术研究所执行所长，863计划首席科学家。分别于江西大学（现为南昌大学）和南京大学取得理学学士学位和理学博士学位；2000年，任美国柯达公司研发部研究员，从事有机半导体器件和材料研究。长期从事有机光电材料和技术研究，针对有机发光二极管（OLED）照明和显示产业链，开展了从材料设计合成、发光器件制备、到装备自主设计制造的系统性、创新性工作。已申请各国专利300多项，获授权的中国专利80多项，获授权的美国专利42项，并在Nat. Mater.、Nat. Photon.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等杂志上发表SCI学术论文300多篇，论文的引用次数为9000多次。