近期，燕山大學環(huán)境與化學工程學院王德松教授團隊谷建民等人與中國科學院化學研究所合作，打破有機分子晶體的各向異性生長的限制，成功實現了邊緣彎曲分子單晶結構的可控合成，填補了曲面單晶生長的技術空白，同時發(fā)現了有機微納激光器的自聚焦現象。研究成果以“邊緣彎曲分子晶體自聚焦微納激光器(Nonconfinement growth of edge-curved molecular crystals for self-focused microlasers)”為題，于2022年10月21日在線發(fā)表于《科學》（Science）子刊《科學進展》（Science Advances）雜志，論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8106。

微盤激光器（Microdisk lasers），以其在激光顯示、高通量傳感以及片上光通信等領域的應用潛力而受到廣泛關注。邊緣彎曲的變形微腔，可以通過打破微盤激光器的旋轉對稱性有效地將電磁能量集中到特定方向，實現光信號的可控、高功率輸出。大多數變形微腔是通過高精度的蝕刻技術如光刻或電子束蝕刻在非晶材料或無機半導體上制備得到。與傳統(tǒng)的光學增益材料相比，有機微/納晶體不僅表現出良好的溶液可加工性以及分子可設計性，而且由于其豐富的能級和激發(fā)態(tài)過程，表現出優(yōu)異的寬帶增益性能。然而，由于有機晶體生長的自限性，晶體會自發(fā)地生長為對稱的凸幾何多面體外形，因此高質量的邊緣彎曲有機微/納晶體的合成仍然是一個技術壁壘。晶體的形狀各向異性主要由其堆積方式的固有各向異性以及基本單元之間的相互作用決定的。通常分子單元的結構更復雜、幾何對稱性更低，因此大多數分子晶體在宏觀形態(tài)上比原子晶體具有更強的各向異性。如何通過分子設計、晶體合成條件優(yōu)化調整分子間的相互作用以及分子的堆積方式，打破分子晶體的生長各向異性，實現邊緣彎曲分子晶體的可控合成，已經成為了有機微納材料領域的重要科學問題。

研究團隊提出了一種液相“非限制“生長策略，利用分子結構調控結合溶劑-反溶劑協(xié)同效應，實現了“眼形”邊緣彎曲有機單晶的高效可控制備。4,4'-Bis[4-(di-p-tolylamino)styryl]biphenyl（DPAVBi）和4,4'-Bis[4-(diphenylamino)styryl]biphenyl（BDAVBi）是兩個具有相同骨架但不同取代基的分子，由于其出色的激發(fā)態(tài)增益特性，被選為模型化合物。與DPAVBi相比，BDAVBi分子上的苯基位阻較低，可以有效避免π-π相互作用以抑制晶體中的緊密各向異性堆積，從而促使晶體邊緣出現豐富的高指數晶面，進而構成了準連續(xù)的曲面。在液相自組裝過程中，控制分子的過飽和度可以進一步調節(jié)這些晶面的生長速度，有利于形成光滑的彎曲邊緣，以及調控彎曲邊緣的曲率。研究團隊制備得到的“眼形”微晶可以作為變形微腔，同時實現低閾值的激光和高Q模式激光的自聚焦發(fā)射。這些結果有助于深入了解功能分子晶體的設計和合成，并促進有機活性材料在集成納米光子芯片中的應用。

該工作得到國家重點研發(fā)計劃（2018YFA0704802）、河北省自然科學基金（B2020203013）項目的資助。論文的共同第一作者為尹百鵬和梁潔，通訊作者為張闖研究員（化學所），谷建民副教授（燕山大學），趙永生研究員（化學所）。

圖為邊緣彎曲分子晶體自聚焦激光定向發(fā)射。（A）“眼形”微晶的光學顯微圖像。（B）“眼形”微晶在x-y平面的模擬電場分布。（C）“眼形”微晶的頂面和底面的PL圖像。（D）“眼形”微晶的頂面和底面的遠場發(fā)射圖。（E）“眼形”微晶的角度分辨PL光譜。（F）用洛倫茲函數擬合不同長寬比值的“眼形”微晶的遠場發(fā)射圖。（G）“眼形”微晶的激光發(fā)散角分布圖。

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