▎本文由論文作者團隊投稿

▎導讀

偏振光產(chǎn)生、調(diào)制及探測在光通訊、激光加工、動態(tài)顯示及生物醫(yī)學成像等領域發(fā)揮著舉足輕重的作用。發(fā)展集多重光控技術于一體的多功能原型器件，有望滿足未來偏振光學對低功耗、功能集成及低成本光學元器件的發(fā)展需求。

偏振發(fā)光體兼具光發(fā)射和光調(diào)制的雙重屬性，具有許多獨特的優(yōu)點，如偏振光發(fā)射和自適應光調(diào)制等。然而，傳統(tǒng)有機偏振發(fā)光體面臨著外場響應不靈敏、發(fā)光效率低、紫外光學穩(wěn)定性差等缺點。開發(fā)外場靈敏度高、深紫外波段穩(wěn)定、發(fā)光效率高的新型偏振發(fā)光體對構建多功能光控元器件意義重大。

低維無機材料由于在一個或多個維度上具有納米級尺寸，使其表現(xiàn)出與體相材料不同的物理性質(zhì)，如極強的量子限域效應和極大的光學各向異性等。特別是，不同維度材料之間的復合異質(zhì)結構表現(xiàn)出許多獨特的電、磁、催化和光化學性質(zhì)，已經(jīng)在相關應用中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，由于復合異質(zhì)結構構建不佳以及不同維度材料之間缺乏互補的性質(zhì)特性，在偏振發(fā)光體的突破上鮮有報道。

2D無機材料通常發(fā)光效率極低，但因其具有極大的幾何各向異性，而呈現(xiàn)了極大的光學各向異性。0D無機量子點材料在三維方向同時具有量子限閾效應而具有極高的發(fā)光效率，但因其幾何各向同性而導致了光學各向同性。

鑒于兩種不同維度的低維材料彼此優(yōu)缺點互補，中國科學院深圳先進技術研究院研究團隊首次設計并合成了0D / 2D構型的全無機納米異質(zhì)結構偏振發(fā)光體，實現(xiàn)了高效兼偏振的藍光發(fā)射。此外，基于0D / 2D偏振發(fā)光異質(zhì)結構建的多功能器件，無縫地結合了發(fā)光、調(diào)光和探測光的功能，實現(xiàn)了可見光調(diào)制、紫外光探測和藍色發(fā)光偏振操控的多功能集成。

該研究成果以“A multifunctional optoelectronic device based on 2D material with wide bandgap”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。該文第一作者為中國科學院深圳先進技術研究院的許洪瑋博士后，通訊作者為中國科學院深圳先進技術研究院的丁寶福副研究員，成會明院士和王鋒助理研究員。

▎全無機0D/2D異質(zhì)結偏振發(fā)光體的創(chuàng)建

0D/2D異質(zhì)結偏振發(fā)光體構建的關鍵除了不同維度之間的有效錨定復合，還需滿足兩者之間的光學特性能夠完美互補。為了避免2D材料對0D發(fā)光材料激發(fā)和發(fā)射光造成吸收淬滅，研究團隊以寬帶隙、高電場靈敏度的鈷摻雜二氧化鈦（CTO）溶液為基礎，通過化學吸附誘導Ti-O-C鍵的形成，成功構筑了CDs/CTO異質(zhì)結膠體溶液（如圖1a-c）。此膠體溶液很好保留了CTO的光學各向異性特性和CDs的高效藍色發(fā)光特性（圖1d-f），表明了首個全無機CDs/CTO藍色偏振發(fā)光異質(zhì)結的成功構建，這為偏振發(fā)光體材料家族納入了新成員。

圖1：a，納米片合成過程示意圖；b，碳點合成過程示意圖；c，復合結構示意圖；d，復合材料膠體性質(zhì)(λ = 635 nm激光)；e, 復合材料發(fā)光性質(zhì)(λ = 365 nm紫外燈)；f，復合材料正交偏振片下雙折射現(xiàn)象。

▎光學原型器件的多功能展示

基于發(fā)展的QDs/CTO異質(zhì)結偏振發(fā)光體構建的光學器件（如圖2a），因異質(zhì)結具有的二向色吸收特性而賦予了器件在360 nm ～ 385 nm波段紫外光的探測功能（如圖2b），借助CTO誘導的定向排布實現(xiàn)了CDs的偏振發(fā)光（如圖2c），表明了集調(diào)光、發(fā)光及探測于一體的多重光控原型器件獲得了成功構建，這為未來多功能光控器件的構筑提供了新思路和新方法參考。

圖2：a,復合材料調(diào)光-發(fā)光一體化的光學性能示意；b,對紫外波段光線的探測性能比較；c，是電場調(diào)控下復合材料不同偏振角度的發(fā)光強度比較(V = 6 V/mm)。

▎總結與展望

該項工作實現(xiàn)了全無機0D/2D偏振發(fā)光異質(zhì)結的創(chuàng)建，不僅傳承了2D無機納米片的光學各向異性特性和0D量子點高效發(fā)光優(yōu)勢，而且孕育出了新生的偏振發(fā)光性質(zhì)。這些集成的性質(zhì)優(yōu)勢，共同為光學調(diào)制和探測，以及偏振發(fā)光操控提供了一種可行的原型器件。該研究結果為偏振發(fā)光材料家族納入了新成員，為其它類型異質(zhì)結的開發(fā)提供了嶄新視角和新方法，未來有望在異質(zhì)結常用領域如光催化、生物醫(yī)學、光通訊等，做出令人期待的貢獻。

▎論文信息

Xu, H., Liu, J., Wei, S. et al. A multifunctional optoelectronic device based on 2D material with wide bandgap. Light Sci Appl 12, 278 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01327-8