英文原题：All-Organic Composite Films for High Flexibility and Giant Nonlinear Optical Limiting Responses
通讯作者：许向东，电子科技大学
作者：Mingang Zhang, Xiangdong Xu,* Jinrong Liu, Yadong Jiang, Jun Wang, Ningning Dong, Chenduan Chen, Baohua Zhu, Yuning Liang, Ting Fan, and Jimmy Xu
背景介绍
由于高强度激光具有较高的方向性、单色性、相干性及较强的亮度，所以高强度超短脉冲激光器在工业、商业、医疗和国防等领域发挥了越来越重要的应用。在这种高强度激光辐照的特殊情况下，为了防护敏感的器件和人体器官免受损伤，迫切需要发展能够对高强度光具有高吸收性、但是对低强度光却具有高透射性的非线性光限幅材料。目前为止，前人主要探索具有较强的光限幅效应的无机型非线性光限幅材料，例如碳基材料、黑磷、过渡金属硫化物、金属材料等。但是，此类无机光限幅材料通常存在其自身难于克服的容易自发团聚、制备工艺复杂而且苛刻、性能的环境稳定性低等缺点，从而限制了它们的实际应用。与之不同，有机光限幅材料在器件制造和应用方面具有无机材料不具备的许多优点，包括在有机溶剂中的溶解度高、制备工艺简单而且可控性高、种类繁多而且改性容易、具有较高的机械柔韧性和生物相容性等。遗憾的是，传统有机材料对脉冲激光辐照的光限幅性能普遍低于无机材料，限制了有机光限幅材料的广泛应用。
文章亮点
近日，电子科技大学的许向东教授课题组设计并制作了基于有机非线性光学材料4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐（简称DAST）的具有极高的光限幅效应的一种新型的柔性全有机型复合膜。该复合膜通过简单的流延法制作，厚度约100 μm（见图1c），在520和532 nm处的线性透过率均高达85%。特别地，这种新型全有机复合膜可以被任意地弯曲，展现出良好的柔性（见图1a）。
图1. 复合膜的照片与表征。(a)柔性展示，(b)和(c)扫描电子显微镜图像，(d)原子力显微镜图像，(e-h)元素分布图像，(i)紫外可见光光谱。
测试结果表明，这种基于DAST的柔性全有机复合膜对飞秒和纳秒脉冲激光辐照都具有突出的光限幅效应，而且其光限幅性能都源于DAST。其中，在飞秒脉冲激光辐照下，该DAST基复合膜的光限幅阈值为 7.84 GW/cm2、非线性吸收系数为20.1±0.8 cm/GW、三阶磁化率虚部为0.93±0.04×10-11 esu（图2b和d）。与之相比，相同的DAST基复合膜在纳秒脉冲激光辐照下表现出更高的光限幅效应，其光限幅阈值为 0.37 GW/cm2、非线性吸收系数为744.0±52.1 cm/GW、三阶磁化率虚部为35.30±2.50×10-11 esu（图2c和e）。这是因为在飞秒激光辐照下，该复合膜的光限幅响应仅由DAST的双光子吸收引起（见图3c和d）。但是，其纳秒激光辐照下的光限幅响应却由DAST的双光子吸收和激发态吸收共同引起（见图3e）。令人惊奇的是，在相同的测试条件下，DAST的各个光限幅参数不仅均明显地超过有机酞菁染料等前人报道的所有的有机光限幅材料，而且还明显地优于许多重要的无机光限幅材料，例如富勒烯、黑磷、二硫化钼等（图2f-h）。值得提及的是，这种有机复合膜的光限幅性能还能够在较长的时间内保持稳定。其中，在大气环境下，该DAST基复合膜对飞秒及纳秒激光辐照的光限幅效应在三个月内都不发生任何衰减（见图3a和b）。这种兼具容易的制备方法、较高的柔性、超强的光限幅效应、长期稳定性等多重优点的全新的全有机型复合膜（图1a）有效地克服了光限幅材料领域的瓶颈难题，有望在柔性光电器件中发挥重要作用，并将有力地促进激光防护技术的发展。
图2. (a)开孔Z扫描测试装置示意图, (b)和(d)在飞秒脉冲激光激发下在520 nm处Z扫描的结果和归一化透过率随入射能量的变化关系，(c)和(e)在纳秒脉冲激光激发下在532 nm处Z扫描的结果和归一化透过率随入射能量的变化关系，相同条件下，不同材料的(f)光限幅阈值、(g)非线性吸收系数和(h)三阶磁化率虚部的结果比较。
图3. (a) 380 fs脉冲激光激发下在520 nm处和(b) 6 ns脉冲激光激发下在532 nm处的光限幅响应的长期稳定性，(c)380 fs脉冲激光激发下在520 nm处的ln(1-T)和ln(I0)的关系，(d) 380 fs脉冲激光激发下在520 nm处和(e) 6 ns脉冲激光激发下在532 nm处的光电子跃迁机理。
总结/展望
相关成果揭示了发展具有更优综合性能的光限幅新材料的一种新思路，已以“All-organic Composite Films for High Flexibility and Giant Nonlinear Optical Limiting Responses”（具有高柔性和极强光限幅效应的全有机复合膜）为题于2022年7月19日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》[https://doi.org/10.1021/acsami.2c06476]上。该工作主要由电子科技大学光电科学与工程学院的许向东教授以及其指导的张敏刚博士、刘晋荣硕士等完成，其中张敏刚博士为文章第一作者，许向东教授为通讯作者，合作者还包括中国科学院上海光机所王俊教授、河南大学朱宝华教授、中国科学院成都有机化学所范挺研究员、美国布朗大学Jimmy Xu教授等。该工作得到了国家自然科学基金(61377063和6142100)和四川省科学技术计划(2018TZDZX0008)的资助。
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ACS Applied Materials & Interfaces. 2022, 14, 29, 33787–33796
Publication Date: July 19, 2022
https://doi.org/10.1021/acsami.2c06476
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