集成碳量子点的水凝胶光栅，实现可切换单向发射
2024-02-07 15:18:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
由于水凝胶形态随环境湿度的变化而变化，光栅效率的改变导致衍射级发射强度超过7倍的调谐。所提出的可切换发射策略可以促进用于辐射控制和光学成像的主动发光器件技术的发展。
尽管光致发光（PL）不相干，但其定向发射对于发光领域和纳米光子学来说是一种有吸引力的技术。光学超构表面为亚波长尺度的波前工程提供了一条有前途的途径，使单向发射成为可能。然而，目前的定向发射策略大多基于静态超构表面，实现高性能的单向发射调谐仍然是一个挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，香港大学和武汉大学的研究人员联合证明了量子点-水凝胶集成光栅（Q-HIG）的主动切换单向发射，同时具有小于1.5°的窄发散角和大于45°的大衍射角。研究人员进一步证明，由于水凝胶形态随环境湿度的变化而变化，光栅效率的改变导致衍射级发射强度超过7倍的调谐。所提出的可切换发射策略可以促进用于辐射控制和光学成像的主动发光器件技术的发展。相关研究成果以“Switchable unidirectional emissions from hydrogel gratings with integrated carbon quantum dots”为题发表在Nature Communications期刊上。
在这项研究中，通过在电子束曝光下利用聚合物收缩，经过单步处理可直接制造嵌入碳量子点（CQD）的聚乙烯醇（PVA）水凝胶膜，用于非对称光栅轮廓，将光栅动量传递给PL发射，并允许导向模式下的PL单向耦合到自由空间中。由于水凝胶材料的湿度响应膨胀能力，水凝胶光栅的光栅效率可以随着环境湿度的变化而显著调节，从而实现有效的发射控制。下图显示了Q-HIG结构及其主动单向发射控制策略的示意图。
用于定向PL发射和辐射控制的量子点水凝胶集成光栅的设计
为了证明Q-HIG的定向发射，研究人员使用非偏振的绿色（532 nm）激光指示器作为泵浦源来激发CQD进行PL发射。通过比较在相同的光照条件下光栅和薄膜在相应阶角处的PL强度，发现Q-HIG的定向PL增强了10倍以上。此外，在宽带可见光范围内，增强阶的发散角测量小于2°，这优于目前大多数的定向发射策略。
Q-HIG的定向PL发射
研究人员通过湿度驱动的光栅效率对光束转向和PL发射的改变，进一步证明了水凝胶平台的可切换发射能力。
PL辐射的湿度控制
研究人员进一步证明，通过调整导向PL的动量方向，可以将发射定向到单一方向。研究人员比较了632 nm波长下不同相对湿度条件下的PL强度变化，显示了具有约7倍辐射控制和高方向性的可切换单向PL。此外，研究人员在循环实验中证明了可切换发射的Q-HIG性能的可重复性。水凝胶和QD的集成可以为未来的发光纳米器件设计提供指导，并且这种方法可以用于实现动态PL功能，例如可调聚焦和动态波前工程。
单向发射和辐射控制
此外，研究人员展示了一种用于可调谐定向发射的量子点-水凝胶集成纳米腔，以证明水凝胶纳米光子器件用于多功能发射调谐的潜力。
可调谐定向发射
总而言之，研究人员通过实验证明了一种湿度驱动的集成平台，该平台通过将发光材料与基于水凝胶的光栅相结合来实现可切换的单向PL发射。通过利用电子束曝光下PVA的收缩，研究人员提出了一种一步制作不同周期光栅的方法。水凝胶光栅能够从嵌入的QD中定向发射导向PL，并提供光栅效率调制的可调性，从而实现远场发射的动态控制。此外，利用Fabry-Perot型纳米腔证明了基于水凝胶的可调谐定向发射平台的潜力。所提出的基于水凝胶材料的主动发射调谐策略可以为主动发光超构表面的潜在应用提供有前途的指导，包括光学显示、生物成像和非相干光源。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45284-1
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