RIKEN Membuat Kemajuan Baharu dalam Julat Suhu Ultra-lebar (-180~240 darjah ) Laser Kristal Cecair Fasa Biru

Laser kristal cecair fasa biru (BPLC), dengan ambang laser yang rendah, tindak balas pelbagai rangsangan, pelepasan berbilang arah dan kebolehkonfigurasian masa nyata, mempunyai prospek aplikasi yang hebat dalam pengesanan, paparan dan antipemalsuan. Pada masa ini, penyelidikan mengenai laser kristal cecair fasa biru termasuk kebolehlarasan panjang gelombang laser di bawah rangsangan luar (cth, cahaya, elektrik, haba, daya, dll.), dan tingkap suhu sempit BPLC itu sendiri telah membawa kepada minat yang semakin meningkat. dalam kajian laser BPLC domain suhu lebar. Penggunaan sistem penstabilan polimer telah berjaya meluaskan julat suhu BPLC kepada 500 darjah , yang juga membawa kepada peluasan julat suhu laser BPLC yang sepadan. Walau bagaimanapun, berbanding dengan laser organik lain, penghabluran rawak molekul kecil fasa mudah alih dalam BPLC pada suhu rendah dan keserasian yang lemah antara pewarna dan sistem menjadikannya mencabar untuk memancarkan laser di bawah 0 darjah dalam BPLC. Selain itu, mekanisme kerja laser BPLC pada suhu rendah masih tidak jelas. Ini sangat mengehadkan potensi aplikasi laser BPLC dalam persekitaran suhu rendah lain seperti kutub, lautan dalam dan ruang angkasa. Oleh itu, reka bentuk sistem BPLC yang sesuai untuk memenuhi keserasian sistem yang baik dan antibeku suhu rendah adalah penting untuk pembangunan laser BPLC suhu rendah.
Untuk menyelesaikan masalah di atas, pasukan ahli akademik Jiang Lei dan penyelidik Wang Jingxia dari Pusat Bionanomaterial dan Sains Antaramuka Institut Fizik dan Kimia, Akademi Sains China, menyediakan kristal cecair fasa biru yang distabilkan polimer dengan julat luas suhu (-190 darjah ~360 darjah ) dalam kerja sebelumnya (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); dengan melaraskan pusat jurang jalur dan corak pewarna hablur cecair fasa biru, kami telah dapat mencapai hasil yang sama. Dengan melaraskan pusat celah jalur kristal cecair fasa biru yang disediakan, parameter pesanan pewarna, kualiti rongga resonans dan tenaga pam, pengelasan pelepasan permukaan mod satu hingga empat mod yang terkawal telah dicapai dalam rongga resonans bagi kristal cecair fasa biru yang didop pewarna. (C6-BPLCs) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); hablur cecair fasa biru yang disediakan digunakan sebagai templat untuk penyediaan hablur cecair fasa biru pelbagai warna yang sangat diselesaikan. Menggunakan hablur cecair biru yang disediakan sebagai templat, hablur cecair biru pelbagai warna resolusi tinggi telah disediakan (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); dan dengan mengawal kandungan polimer hablur cecair biru, sistem perancah polimer bagi hablur cecair biru diperoleh, dan julat suhu BPLC dilanjutkan kepada 25~230 darjah (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Baru-baru ini, pasukan penyelidik telah berjaya merealisasikan julat suhu laser yang luas ({{0}} darjah) di bawah 0 darjah melalui pemilihan dan reka bentuk sistem rasional, mengurangkan penghabluran rawak molekul kristal cecair kecil pada rendah. suhu melalui pempolimeran semua, dan memilih monomer kristal cecair fleksibel rantai (RM105) dan molekul pewarna (DCM) untuk meningkatkan keserasian sistem. Telah ditunjukkan bahawa BPLC semua polimer mempamerkan lebar garis laser sempit (0.0881 nm) dan ambang laser rendah (37 nJ/nadi) disebabkan keserasian sistem yang baik; Sementara itu, sistem terpolimer semua meningkatkan kestabilan foto-terma sampel, termasuk isyarat pemantulan/pendarfluor yang mencukupi, hasil kuantum yang sesuai dan jangka hayat pendarfluor, pemantulan dan spektrum pendarfluor yang sepadan, fabrikasi BPLC yang stabil dan suhu penguraian yang tinggi, yang membolehkan sampel untuk memancarkan cahaya laser dalam -180-240 darjah . Di samping itu, peraturan variasi panjang gelombang laser dan ambang BPLC pada suhu rendah (<0 ℃) are revealed for the first time, i.e., red-shifted laser wavelength and increasing laser threshold with decreasing temperature, resulting in a red-shifted laser wavelength and a "U"-shaped laser threshold in -180~240 ℃. These unique laser behaviors are related to the temperature-dependent anisotropic deformation of the BP lattice (-180-0 ℃: BPI lattice contracted along the (110) direction; 0-26.7 ℃: almost unchanged BPI lattice; 26.7-240 ℃: BPI lattice accelerated to expand along the (110) direction). This work not only opens the door to low-temperature BPLCs, but also provides important insights into the design of novel organic optical devices.
Hasilnya dibentangkan sebagai Laser Suhu Super-lebar Menjangkau dari -180 darjah hingga 240 darjah berdasarkan Superstruktur Fasa Biru Terpolimer Penuh, diterbitkan dalam Bahan Terperinci.
Penulis artikel yang sepadan ialah Dr. Jingxia Wang dari Institut Fizik dan Kimia, Akademi Sains China. Yujie Chen, pelajar PhD di IUPAC, CAS, adalah pengarang pertama. Encik Jing Li dan Encik Feng Jin dari IUPAC membantu pencirian laser bagi kristal cecair fasa biru, Prof. Lei Shi dari Jabatan Fizik, Universiti Fudan membantu pencirian celah jalur fotonik bagi kristal cecair fasa biru, dan Ahli Akademik Lei Jiang dari Institut Fizik dan Kimia, Akademi Sains China, memberikan bimbingan dan bantuan profesional untuk kajian ini.
Penyelidikan ini disokong oleh Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China dan Program Penyelidikan Belanda Akademi Sains China.

Rajah 1. Struktur kimia dan pencirian BPLC terpolimer sepenuhnya. a) Formula struktur kimia bagi bahan yang digunakan dalam sampel terpolimer penuh pewarna doped; b) Gambar rajah skema perubahan mikrostruktur sampel dalam domain suhu laser -180 - 240 darjah; c) plot TEM; d) Petak Kossel; Suhu boleh ubah e) Spektrum pantulan dan f) Spektrum pendarfluor bagi sampel darjah -180 - 240 ; g) panjang gelombang laser berbanding suhu; h) perbandingan kerja sekarang dengan julat suhu operasi laser kristal cecair fasa biru dalam kesusasteraan.

Rajah 2. Perbandingan prestasi sistem semua polimer ini dengan sistem lain dan ujian keserasian pewarna. a) Perbandingan julat suhu laser; b) Perbandingan ambang laser pada suhu bilik; c) Ujian keterlarutan pewarna di bawah POM c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6, pada 120 darjah . Ini menunjukkan bahawa DCM mempunyai keserasian yang lebih baik dengan RM105. df) Pengiraan teori ketumpatan tenaga kohesif (CED), sistem percubaan: RM105 + RM257 + DCM; sistem kawalan: C6M + C6. Sistem eksperimen mempunyai parameter CED dan keterlarutan (δ) yang lebih besar daripada sistem kawalan, yang menunjukkan bahawa sistem semua polimer mempunyai keserasian yang lebih baik daripada C6M + C6. g) D) Pengiraan teori DCM, RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6 pada 120 darjah . (g) Plot DSC, hanya terdapat satu suhu peralihan kaca (Tg=26.7 darjah ) untuk sampel semua polimer, manakala terdapat bukan sahaja Tg (-42.94 darjah ), tetapi juga puncak penghabluran (Tc=-24.95 darjah ) dan puncak peralihan fasa bagi komponen tidak terpolimer (TBP=77.35 darjah ) untuk sampel dengan darjah pempolimeran 25 wt%. (TBP= 77.35 darjah ).
Rajah 3. Sifat laser bagi sampel semua polimer. ab) Spektrum pelepasan, -180-240 darjah ; cd) FWHM laser pada suhu bilik; e) Ambang laser pada suhu bilik; f) Ambang lawan suhu dalam bentuk "U".

Rajah 4. Analisis sifat fototerma bagi sampel semua polimer. a) Analisis termogravimetrik; bd) Suhu berubah-ubah in situ XRD; e) Kedudukan relatif puncak pantulan dan puncak pendarfluor pada suhu yang berbeza; f) Panjang gelombang pusat pantulan/keamatan pantulan berbanding suhu; Suhu boleh ubah g) Hasil kuantum dan h) Jangka hayat pendarfluor; i) Plot POM suhu berubah in situ; j) Suhu berubah-ubah in situ spektrum diselesaikan secara sudut ( mod pantulan).

Rajah 5. Variasi Kossel in-situ semasa perubahan suhu sampel semua polimer. a) Petak Kossel; b) Petak kossel / kekisi BP berbanding suhu; c) Jejari bulatan pusat Kossel (R) dan panjang gelombang pusat pantulan (λ) berbanding suhu (T).

Rajah 6. Perubahan mikrostruktur dan sifat laser lain bagi sampel semua polimer semasa perubahan suhu. a) Perubahan kekisi BP pada suhu yang berbeza. a1) Kekisi BPI mengecut sepanjang (110); a2) kekisi BPI yang hampir tidak berubah; a3) pengembangan dipercepatkan hablur BPI sepanjang (110); b) pancaran laser dalam tiga arah ortogon x, y dan z, tenaga pam: 0.205 μJ/denyut; c) ujian polarisasi laser, L/RCP: cahaya terkutub bulat kiri/kanan, tenaga pam: 0.205 μJ/denyut. tenaga pam: 0.205 μJ/denyutan.