偏振异质结构光源:2D材料与0D量子点的“联姻”

偏振光的产生、调制和检测在光通信、激光加工、动态显示和生物医学成像等多个领域发挥着举足轻重的作用。多功能原型设备的发展无缝集成了一系列光学控制技术，在满足偏振光学的未来需求方面具有巨大潜力，强调低功耗、功能集成和具有成本效益的光学元件。

 偏振发光剂具有光发射和光学调制的双重属性，具有许多独特的优势，包括偏振光发射和自适应光学调制。然而，传统的有机偏振发光剂遇到了一个或多个挑战，如对外部场不敏感、发光效率低或紫外线光学稳定性不足。 新型发光体对外部电场更加敏感、在深紫外波长范围内更加稳定、发光效率更高，因此，新型发光体的创新对于制造多功能光学控制设备具有极其重要的意义。

由于低维无机材料在一个或多个维度上具有纳米级尺寸，因此与块体材料相比，它们具有独特的物理特性，包括明显的量子约束效应和大量的光学各向异性。 具体来说，由不同维度材料衍生的复合异质结构具有优异的电学、磁学、催化和光化学特性，在相关应用中表现出卓越的性能。然而，偏振发光材料领域的研究进展仍然受阻，主要原因是复合异质结构的构建技术尚不成熟，而且不同尺寸的材料之间缺乏互补特性。 

在发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，中国科学院广东深圳先进技术研究院的Baofu Ding, Feng Wang, and Hui-Ming Cheng 领导的科学家团队及其合作者将超高刺激敏感的宽带隙二维材料与零维碳量子点（CD）集成在一起，展示了高效的偏振蓝色荧光。 这一合成方法首次创造了以 0D/2D 配置为特征的全无机纳米异质结构发光体。此外，基于 0D/2D 纳米异质结构发光体的多功能设备将发射、调制和光检测功能完美地结合在一起。

a，纳米片合成过程示意图；b，碳点合成过程示意图；c，复合材料结构示意图；d，复合材料的胶体特性（λ = 635 nm激光）；e，复合材料的发光特性（λ = 365 nm紫外灯）；f，在正交偏振镜下观察到的复合材料双折射现象。资料来源：Hongwei Xu, Jingwei Liu, Sheng Wei, Jie Luo, Rui Gong, Siyuan Tian, Yiqi Yang, Yukun Lei, Xinman Chen, Jiahong Wang, Gaokuo Zhong, Yongbing Tang, Feng Wang, Hui-Ming Cheng and Baofu Ding。

建立 0D/2D 异质结构发光体的关键不仅在于有效锚定不同尺寸材料的组件，还在于确保它们的光学特性完美协调。为了规避二维材料对 0D 发光材料的激发光和发射光的潜在吸收淬灭，研究团队采用了掺钴二氧化钛（CTO）色散作为基础元素，该色散具有宽带隙和高场灵敏度的特点。 通过化学吸附诱导 Ti-O-C 键的形成，研究小组成功合成了 CDs/CTO 异质结的胶体溶液。这种胶体溶液恰到好处地保留了 CTO 的光学各向异性和 CD 的高效蓝色发光特性，表明成功构建了首屈一指的全无机 CD/CTO 异质结构发光体。 在所开发的异质结构发光体的基础上，利用异质结的二色性吸收特性，该光学装置可探测 360 nm至 385 nm范围内的紫外线。CD 的偏振发射是通过 CTO 诱导的定向排列实现的，这标志着一种集调制、发射和检测于一体的多功能光学控制原型器件的成功建立。

a，调制-发射一体化复合材料光学性能示意图；b，紫外波段探测性能对比分析；c，电场调制（E = 6 V/mm）下不同偏振角的发射强度对比。供稿：Hongwei Xu, Jingwei Liu, Sheng Wei, Jie Luo, Rui Gong, Siyuan Tian, Yiqi Yang, Yukun Lei, Xinman Chen, Jiahong Wang, Gaokuo Zhong, Yongbing Tang, Feng Wang, Hui-Ming Cheng and Baofu Ding。

 该研究成果为偏振发光体家族引入了一位新成员，为开发多样化的异质结构发光体提供了全新的视角和创新的方法。这些特性的结合为光学调制和检测以及偏振发光操作提供了一个切实可行的原型设备。这一发现未来将可能应用于光催化、生物医学应用、显示和光通信等多个领域。