专栏名称: 高分子科技

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中科院化学所董海云研究员/赵永生研究员、北师大杨清正教授 Angew：手性有机分子螺旋超结构圆偏振激光

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-09-21 12:15

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圆偏振激光兼具高的发光强度和大的不对称因子，在对映选择性催化、手性传感和自旋电子学等领域具有重要应用前景。手性超分子聚集体能够增强手性光与物质相互作用，具有探索大不对称因子圆偏振激光的潜力。然而，目前唯一成功用于圆偏振激光的手性超分子聚集体是通过非手性分子的自分类获得的。手性自分类需要严格的多价分子间相互作用，并且在圆偏振激光发射中存在手性随机的问题，严重制约有机圆偏振激光器件的发展。原则上，手性分子或官能团可以驱动有机分子组装成确定性手性超分子结构。因此，手性增益分子的合理设计对于实现高性能本征圆偏振激光至关重要。

近日，中国科学院化学研究所赵永生研究员、董海云研究员团队与北京师范大学杨清正教授团队合作发展了一种手性分子策略可控合成手性超分子组装体，在有机微晶中结合了优异的光学增益、微腔效应和手性光学活性，进而实现了具有高不对称因子的本征圆偏振激光出射。

作者通过整合具有稳定轴手性构象的联二萘衍生物和优异增益性能的二羰基氟硼共轭基团合成了一对手性对映体（R/S-Na）（图1）。R-Na和S-Na分子在晶体中自组装成镜像对称的右手和左手2₁超分子螺旋，大的螺旋超结构可以有效增强手性光与物质的相互作用，为实现手性确定的高性能圆偏振激光发射提供了可能。通过液相分子自组装的方法制备了高质量的R-Na和S-Na微晶，自然形成Fabry–Pérot（F-P）微腔，能够为激光振荡提供光学反馈（图2）。此外，沿着 [010] 晶向的2₁螺旋有望赋予R-Na和S-Na微晶手性光学活性，从而实现圆偏振激光发射。手性微晶高效的辐射跃迁确保了手性微晶可以作为增益介质，为激光振荡提供光学增益（表1）。得益于大螺旋超结构中增强的手性光与物质相互作用，R-Na和S-Na微晶展现出优异的手性光学活性（图3）。最终，R-Na和S-Na手性有机微晶结合了优异的腔效应、光学增益和手性光学活性，实现了相反手性的圆偏振激光出射（图4）。得益于螺旋超分子结构优异的手性光学活性，圆偏振激光的不对称因子高达~ 1.0。总的来说，该工作建立了一种手性分子驱动手性超分子组装进而实现了本征圆偏振激光发射的策略，对于面向高性能圆偏振激光器件的手性有机分子材料设计具有重要指导意义。该工作以“Circularly Polarized Lasing from Helical Superstructures of Chiral Organic Molecules” 为题发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是中科院化学研究所的任诗哲博士和北京师范大学的刘正扉博士，文章的通讯作者是中科院化学所董海云研究员和赵永生研究员，北京师范大学杨清正教授。