近日，安徽大学先进材料原子工程研究中心副教授陈爽和教授朱满洲组成的科研团队，设计并合成了具有橙色和红色发光的金属纳米团簇，两种金属纳米团簇的晶体都表现出优异的光波导性能，为有源波导和极化材料家族提供了新成员。这种材料在未来信息储存、集成光学等领域具有潜在应用前景。相关研究成果日前发表在《科学》杂志上。
配体保护的金属纳米团簇具有原子级精确的结构和良好的光学性质等特点，非常适合用于光电器件，并且团簇的光学性质可以通过金属掺杂、配体调控、价态调整等手段进行调控。因此，金属纳米团簇非常适合用作光波导材料。
由于金属纳米团簇间的多种弱相互作用，其晶体表现出一定程度的柔韧性，弯曲和分支状态的晶体仍然具有明显的光波导行为。金属纳米团簇的晶体结构和堆积方式的差异，使它们在光波导过程中表现出不同的偏振发光，进而使它们的晶体能表现出更强的光致发光。光致发光是指物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导致发光的现象。
“我们在一次实验中偶然发现，团簇晶体在非聚焦光刺激下呈现边缘亮、中间暗的特征，这是典型的光波导特性。”陈爽告诉记者，通过不断地摸索尝试，他们得到了不同形态的团簇晶体，发现这些晶体都具有优异的低损耗波导行为，并且不同团簇的偏振行为差异巨大。随后，通过解析这些团簇晶体的空间结构，研究人员详细了解了团簇结构与光波导和偏振行为的关联性，从原子水平上弄清了其中的机理。
研究人员采用刻蚀的方法制备了金属纳米团簇，并通过改变激光束在一维棒状晶体的不同位置，获得了空间分辨率的光致发光显微镜图像。计算表明，其光损耗系数数值低于大多数已报道过的有机、无机以及杂化材料的损耗。
研究人员介绍，金属纳米团簇光波导材料具有优异的性能。首先，金属纳米团簇的分子内相互作用抑制了非辐射跃迁，使得它们有更强的光致发光；其次，金属纳米团簇的分子间相互作用导致了晶体堆积致密、结晶度高和表面光滑，有效地减少了散射引起的损耗；再次，金属纳米团簇较大的斯托克斯位移能够避免光在传播过程中的重吸收。
光波导材料在光通信、光学传感和光学计算等领域发挥着重要作用。研究人员表示，此次金属纳米团簇光波导行为的发现，填补了纳米团簇光子性质研究的空白，为开发配体保护的金属纳米团簇作为活性光波导材料提供了理论基础和应用前景，并为构建基于团簇的小型化集成纳米光子器件提供了支持。