微纳激光器已经在生物化学传感、光子学通讯和激光显示等领域展示了巨大的应用潜力。金属有机框架（MOFs）化合物同时具有无机材料优异的稳定性和有机材料的良好的溶液可加工性，因此为制备性能优异的微纳激光器件提供了理想的材料体系。近日，齐鲁工业大学材料科学与工程学院山东省优势学科人才团队高振华副教授、孟宪赓教授与中科院化学研究所赵永生研究员合作，针对MOFs微纳激光器普遍存在的光子散射损耗这一核心问题，创新性地引入柔性配体首次构筑了具有拓扑扭曲结构的无定形MOFs微球激光器。
目前为止，包括一维微米线、二维微米片以及三维多面体等各种MOFs微纳结构已经在构筑FP（Fabry-Pérot）激光器和WGM（whispering-gallery-mode）激光器件中展现了良好的应用潜力。然而，由于晶体生长固有的各向异性，这些微纳谐振腔通常具有刚性的多面体边界。不同晶面之间的棱边会导致极大的光子散射损耗，进而阻碍MOFs微纳激光器件的进一步发展。
基于以上研究现状及面临的问题，齐鲁工业大学材料学院研究团队首次构筑了具有拓扑扭曲结构的无定形MOFs微球激光器（图1）。研究人员采用正十二面体MOFs作为模型结构，通过引入相对柔性的有机配体来替换其中的刚性配体，由于柔性模块无法支撑周期有序的拓扑网络结构，从而使MOFs的网络拓扑结构发生扭曲，进而形成非晶化MOFs结构。这种非晶化使其产生各向同性的生长过程，最终生长成为表面光滑的球形微纳结构。MOFs微球激光可以通过全内反射的方式将光子紧密地束缚在微腔内部，从而有效避免现有晶体MOF微腔反馈时光子散射损耗的问题，进而获得了高品质的单模激光。
研究人员进一步利用MOFs纳米孔洞结构引入不同发光波长的有机增益分子，最终实现了宽谱可调单模激光的可控输出（图2）。本工作将对无定形MOFs的可控组装机制的深入理解以及柔性纳米光子学材料的理性设计提供了新思路。
图2. 高品质微纳球形MOFs激光器的单模可控输出
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，齐鲁工业大学高振华副教授为该论文的第一作者与通讯作者，齐鲁工业大学孟宪赓教授以及中科院化学所赵永生研究员为该论文的共同通讯作者。
Topological Distortion Driven Amorphous Spherical MOFs for High Quality Single‐Mode Microlasers
Zhenhua Gao*, Baoyuan Xu, Yuqing Fan, Tongjin Zhang, Shunwei Chen, Shuo Yang, Weiguang Zhang, Xun Sun, Yanhui Wei, Zifei Wang, Xue Wang, Xiangeng Meng*, Yong Sheng Zhao*
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202014033
高振华博士，齐鲁工业大学（山东省科学院）副教授，硕士生导师。2018年博士毕业于中科院化学研究所，同年入职于齐鲁工业大学。主持国家自然科学基金与齐鲁工业大学人才引进科研启动基金各1项。以第一作者或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed. (3), Advanced Materials, National Science Review, ACS Nano, ACS Appl. Mater. Interfaces，Nanoscale 等发表SCI论文多篇，申请中国发明专利4项，研究成果入选“2017年度中国光学十大进展”。担任Angew. Chem. Int. Ed., ACS Appl. Mater. Interfaces等国际知名期刊审稿人。
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