近期，燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院王德松教授團(tuán)隊(duì)谷建民等人與中國科學(xué)院化學(xué)研究所合作，打破有機(jī)分子晶體的各向異性生長的限制，成功實(shí)現(xiàn)了邊緣彎曲分子單晶結(jié)構(gòu)的可控合成，填補(bǔ)了曲面單晶生長的技術(shù)空白，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了有機(jī)微納激光器的自聚焦現(xiàn)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(xué)》（Science）子刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志。

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(lǐng)域的應(yīng)用潛力而受到廣泛關(guān)注。邊緣彎曲的變形微腔，可以通過打破微盤激光器的旋轉(zhuǎn)對稱性有效地將電磁能量集中到特定方向，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的可控、高功率輸出。大多數(shù)變形微腔是通過高精度的蝕刻技術(shù)如光刻或電子束蝕刻在非晶材料或無機(jī)半導(dǎo)體上制備得到。與傳統(tǒng)的光學(xué)增益材料相比，有機(jī)微/納晶體不僅表現(xiàn)出良好的溶液可加工性以及分子可設(shè)計(jì)性，而且由于其豐富的能級(jí)和激發(fā)態(tài)過程，表現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶增益性能。然而，由于有機(jī)晶體生長的自限性，晶體會(huì)自發(fā)地生長為對稱的凸幾何多面體外形，因此高質(zhì)量的邊緣彎曲有機(jī)微/納晶體的合成仍然是一個(gè)技術(shù)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(jié)構(gòu)更復(fù)雜、幾何對稱性更低，因此大多數(shù)分子晶體在宏觀形態(tài)上比原子晶體具有更強(qiáng)的各向異性。如何通過分子設(shè)計(jì)、晶體合成條件優(yōu)化調(diào)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(shí)現(xiàn)邊緣彎曲分子晶體的可控合成，已經(jīng)成為了有機(jī)微納材料領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種液相“非限制“生長策略，利用分子結(jié)構(gòu)調(diào)控結(jié)合溶劑-反溶劑協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了“眼形”邊緣彎曲有機(jī)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(gè)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(xiàn)豐富的高指數(shù)晶面，進(jìn)而構(gòu)成了準(zhǔn)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(jìn)一步調(diào)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(diào)控彎曲邊緣的曲率。研究團(tuán)隊(duì)制備得到的“眼形”微晶可以作為變形微腔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低閾值的激光和高Q模式激光的自聚焦發(fā)射。這些結(jié)果有助于深入了解功能分子晶體的設(shè)計(jì)和合成，并促進(jìn)有機(jī)活性材料在集成納米光子芯片中的應(yīng)用。

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(xué)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(yuǎn)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(shù)擬合不同長寬比值的“眼形”微晶的遠(yuǎn)場發(fā)射圖。（G）“眼形”微晶的激光發(fā)散角分布圖。 該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFA0704802）、河北省自然科學(xué)基金（B2020203013）項(xiàng)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(xué)所），谷建民副教授（燕山大學(xué)），趙永生研究員（化學(xué)所）。 論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn8106

審核編輯 ：李倩