激子和光子作为未来信息智能系统的重要物理载体/媒介，表现出诸多优势。然而，随着柔性电子、量子计算、信息显示、人工智能以及物联网等颠覆性与变革性技术的发展，未来光学材料介质需要具备低成本小能耗的制造要求以及轻柔薄透、可穿戴抗干扰、生物兼容低毒易回收、可循环碳中和零排放等的材料优势。
图一、有机纳米聚合物柔性半导体光子晶体塑料
在众多新概念光学材料中，以碳元素为主的有机类光学材料仍具有上述优势并能够满足未来的发展趋势，特别是发展有机柔性光学介质具有重要的科学意义。然而，尽管以液晶和有机发光显示（OLED）为代表的有机光学材料实现了商业化，但是由于有机分子多尺度有序化效应的局限性，目前有机电泵浦激光仍没有完全实现，这意味着发展新概念有机半导体材料仍有巨大空间。
不同于第三代宽带隙半导体、量子点、碳纳米、二维材料、二维高分子、共价有机框架（COF）/金属有机框架（MOF）材料以及杂化钙钛矿等材料体系，学院黄维院士团队解令海教授课题组定义了有机纳米聚合物（Organic Nanopolymers），开拓了有机纳米聚合物半导体与光学材料方向，借助原创的跨尺度格子化学（Cross-scale Gridochemistry），成功实现有机聚合物半导体的构筑以及聚集态形貌调控，从而可获得极低能量无序度（< 50 meV）与高介电常数（k = 8.43，接近于无机GaN）等优异的电学性质。近日，他们成功实现了光子晶体形态与半导体特性的对立统一。
在有机半导体的空间设计思想指导下，实现了薄膜导向的分子设计策略与有机纳米聚合物的多尺度有序化效应相结合，将宽带隙蓝光芴基共轭聚合物成功进行格子化改造，实现了一类π-共轭格基纳米聚合物（又称为共轭聚格）的构筑。这类共轭聚格可在甲苯溶剂中凭借溶剂浇铸法/溶剂热退火法等简单工艺一步原位形成一维光子晶体，在保持半导体的特征下，该光子晶体类似于蝴蝶的翅膀——兼顾光子晶体特征与机械柔性。该成果于2022年在国际著名材料学期刊Advanced Materials在线发表，林冬青博士为第一作者，魏颖副研究员、解令海教授与黄维院士为共同通讯作者。除此之外，学院陈淑芬教授、中科院化学所的赵永生教授、南京理工大学的盛传祥教授以及中国科学技术大学的张文华教授等在发光与结构性质等深层次表征方面给予了支持与帮助。该工作在有机电子与信息显示国家重点实验室平台上完成，受到了国家自然基金委面上项目（21774061）与国家自然科学基金重大研究计划集成项目（91833306）等大力支持。
图二、共轭聚格的介观组装形貌及其角分辨反射谱
在本工作中，研究人员发现，相比于非格的π-共轭聚芴骨架，共轭聚格既可借助格芳烃单元的超位阻效应抑制链间聚集过程，又凭借共价锁定特征抑制构象平面化与结晶化，进而介观组装形成了具有层层堆积结构的透明光学薄膜。通过角分辨反射谱观察到一系列的光学干涉条纹，这些干涉条纹具备角度依赖的蓝移特征，满足Bragg-Snell衍射方程，从而证实了光子晶体的性质。
图三、角分辨发光、ASE与机械柔性行为
在此基础上，这类层层堆积的光子晶体还具有特殊的角分辨荧光各向异性（通过探测器角度变化实现蓝光与绿光发射的转变），其电致发光效率也比传统旋涂薄膜高2~4倍。并且，该光子晶体膜具有ASE特征，其波导损耗系数为2.60cm-1，达到了共轭聚合物的最低水平。
除此之外，不同于GaAs以及SiO2等无机光子晶体，这类有机光子晶体还具有机械柔性，展现出15%的最大拉伸应变、65 MPa的弹性模量以及30~40Jm-3的韧性。该工作可作为有机半导体/柔性电子领域重要的里程碑，发展了新一代光学塑料材料，开拓了介观光子晶体导向的分子设计，有效简化了光子晶体的加工方式，为实现仿生类柔性智能光子器件提供了巧妙的分子平台。未来，研究人员将进一步在格基纳米聚合物骨架上进行分子修饰，以适当调控介观组装行为并拓展激光振荡等优异功能，尝试面向有机电泵浦激光开展研究。
来源：新华日报·交汇点记者 葛灵丹
编辑：沈晶晶 审核：陈润锋