RIKEN đạt tiến bộ mới trong phạm vi nhiệt độ cực rộng (-180~240 độ ) Laser tinh thể lỏng pha xanh

Laser tinh thể lỏng pha xanh (BPLC), với ngưỡng laser thấp, phản ứng đa kích thích, phát xạ đa hướng và khả năng cấu hình lại theo thời gian thực, có triển vọng ứng dụng lớn trong cảm biến, hiển thị và chống hàng giả. Hiện nay, nghiên cứu về laser tinh thể lỏng pha xanh bao gồm khả năng điều chỉnh bước sóng laser dưới các kích thích bên ngoài (ví dụ: ánh sáng, điện, nhiệt, lực, v.v.) và cửa sổ nhiệt độ hẹp của bản thân BPLC đã dẫn đến sự quan tâm ngày càng tăng. trong nghiên cứu về laser BPLC miền nhiệt độ rộng. Việc áp dụng các hệ thống ổn định polymer đã mở rộng thành công phạm vi nhiệt độ của BPLC lên 500 độ, điều này cũng dẫn đến việc mở rộng phạm vi nhiệt độ tương ứng của laser BPLC. Tuy nhiên, so với các laser hữu cơ khác, sự kết tinh ngẫu nhiên của các phân tử nhỏ của pha động trong BPLC ở nhiệt độ thấp và khả năng tương thích kém giữa thuốc nhuộm và hệ thống khiến việc phát ra tia laser dưới 0 độ trong BPLC trở nên khó khăn. Hơn nữa, cơ chế hoạt động của laser BPLC ở nhiệt độ thấp vẫn chưa rõ ràng. Điều này hạn chế nghiêm trọng các ứng dụng tiềm năng của laser BPLC trong các môi trường nhiệt độ thấp khác như vùng cực, đại dương sâu và không gian. Do đó, việc thiết kế các hệ thống BPLC phù hợp để đáp ứng khả năng tương thích tốt của hệ thống và chất chống đông ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng để phát triển laser BPLC ở nhiệt độ thấp.
Để giải quyết các vấn đề trên, nhóm viện sĩ Jiang Lei và nhà nghiên cứu Wang Jingxia từ Trung tâm Khoa học giao diện và vật liệu sinh học của Viện Vật lý và Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã chuẩn bị các tinh thể lỏng pha xanh ổn định polymer với một phạm vi nhiệt độ rộng (-190 độ ~360 độ ) trong nghiên cứu trước đây của họ (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); bằng cách điều chỉnh tâm vùng cấm và kiểu nhuộm của tinh thể lỏng pha xanh, chúng tôi đã có thể đạt được kết quả tương tự. Bằng cách điều chỉnh tâm vùng cấm tinh thể lỏng pha xanh đã chuẩn bị sẵn, thông số thứ tự thuốc nhuộm, chất lượng khoang cộng hưởng và năng lượng bơm, đã đạt được hiệu ứng phát laser bề mặt được kiểm soát từ một đến bốn chế độ trong khoang cộng hưởng của tinh thể lỏng pha xanh pha tạp thuốc nhuộm (C6-BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); các tinh thể lỏng pha xanh đã chuẩn bị được sử dụng làm mẫu để điều chế các tinh thể lỏng pha xanh nhiều màu có độ phân giải cao. Sử dụng các tinh thể lỏng màu xanh lam đã chuẩn bị làm mẫu, các tinh thể lỏng màu xanh lam nhiều màu có độ phân giải cao đã được điều chế (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); và bằng cách điều chỉnh hàm lượng polyme trong các tinh thể lỏng màu xanh lam, người ta đã thu được hệ thống khung polyme của các tinh thể lỏng màu xanh lam và phạm vi nhiệt độ của BPLC được mở rộng lên 25~230 độ (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mẹ ơi. 2022, 34 (47), 2206580.
Gần đây, nhóm nghiên cứu đã thực hiện thành công phạm vi nhiệt độ laser rộng ({0}} độ ) dưới 0 độ bằng cách lựa chọn và thiết kế hệ thống hợp lý, giảm sự kết tinh ngẫu nhiên của các phân tử tinh thể lỏng nhỏ ở nhiệt độ thấp. nhiệt độ bằng cách trùng hợp hoàn toàn và chọn lọc các monome tinh thể lỏng linh hoạt chuỗi (RM105) và các phân tử thuốc nhuộm (DCM) để cải thiện khả năng tương thích của hệ thống. Người ta đã chứng minh rằng các BPLC hoàn toàn bằng polymer thể hiện băng thông tia laser hẹp (0,0881nm) và ngưỡng laser thấp (37 nJ/xung) do khả năng tương thích hệ thống tốt; trong khi đó, hệ thống polyme hóa hoàn toàn đã tăng độ ổn định quang-nhiệt của các mẫu, bao gồm đủ tín hiệu phản xạ/huỳnh quang, hiệu suất lượng tử và tuổi thọ huỳnh quang phù hợp, phổ phản xạ và huỳnh quang phù hợp, chế tạo BPLC ổn định và nhiệt độ phân hủy cao, cho phép các mẫu phát ra ánh sáng laze ở -180-240 độ . Ngoài ra, quy luật biến thiên của bước sóng laser và ngưỡng của BPLC ở nhiệt độ thấp (<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.
Các kết quả được trình bày dưới dạng Laser nhiệt độ siêu rộng trải dài từ -180 độ đến 240 độ dựa trên Cấu trúc thượng tầng pha xanh được polyme hóa hoàn toàn, được công bố trên Vật liệu nâng cao.
Tác giả tương ứng của bài báo là Tiến sĩ Jingxia Wang thuộc Viện Vật lý và Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Yujie Chen, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IUPAC, CAS, là tác giả đầu tiên. Ông Jing Li và ông Feng Jin từ IUPAC đã giúp mô tả đặc tính laser của tinh thể lỏng pha xanh, Giáo sư Lei Shi từ Khoa Vật lý, Đại học Fudan đã giúp mô tả đặc tính của dải năng lượng tử của tinh thể lỏng pha xanh, và Viện sĩ Lei Jiang từ Viện Vật lý và Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã hướng dẫn và hỗ trợ chuyên môn cho nghiên cứu này.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc và Chương trình Nghiên cứu Hà Lan của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.

Hình 1. Cấu trúc hóa học và đặc tính của BPLC được polyme hóa hoàn toàn. a) Công thức cấu tạo hóa học của các chất dùng trong mẫu polyme hóa hoàn toàn thuốc nhuộm pha tạp; b) Sơ đồ các thay đổi vi cấu trúc của các mẫu trong miền nhiệt độ laser -180 - 240 độ; c) Đồ thị TEM; d) Lô Kossel; Nhiệt độ thay đổi e) Phổ phản xạ và f) Phổ huỳnh quang của các mẫu ở -180 - 240 độ ; g) bước sóng laser so với nhiệt độ; h) so sánh công việc hiện tại với phạm vi nhiệt độ hoạt động của laser tinh thể lỏng pha xanh trong tài liệu.

Hình 2. So sánh hiệu suất của hệ thống hoàn toàn bằng polyme này với các hệ thống khác và thử nghiệm khả năng tương thích thuốc nhuộm. a) So sánh dải nhiệt độ laser; b) So sánh ngưỡng laser ở nhiệt độ phòng; c) Thử nghiệm độ hòa tan của thuốc nhuộm trong POM c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6, ở 120 độ . Điều này cho thấy DCM có khả năng tương thích tốt hơn với RM105. df) Tính toán lý thuyết về mật độ năng lượng kết dính (CED), hệ thực nghiệm: RM105 + RM257 + DCM; hệ thống điều khiển: C6M + C6. Hệ thống thí nghiệm có thông số CED và độ hòa tan (δ) lớn hơn hệ thống điều khiển, điều này cho thấy hệ thống toàn polymer có khả năng tương thích tốt hơn C6M + C6. g) D) Tính toán lý thuyết DCM, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 ở 120 độ . (g) Biểu đồ DSC, chỉ có một nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg=26,7 độ ) cho mẫu hoàn toàn bằng polymer, trong khi không chỉ có Tg (-42,94 độ ), mà còn cũng là đỉnh kết tinh (Tc=-24.95 độ ) và đỉnh chuyển pha của thành phần không polyme hóa (TBP=77.35 độ ) đối với mẫu có mức độ trùng hợp là 25% khối lượng. (TBP= 77.35 độ ).
Hình 3. Đặc tính laser của các mẫu toàn polyme. ab) Phổ phát xạ, -180-240 độ ; cd) FWHM của laser ở nhiệt độ phòng; e) Ngưỡng laser ở nhiệt độ phòng; f) Ngưỡng so với nhiệt độ theo hình chữ “U”.

Hình 4. Phân tích đặc tính quang nhiệt của các mẫu toàn polyme. a) Phân tích nhiệt trọng lượng; bd) XRD nhiệt độ thay đổi tại chỗ; e) Vị trí tương đối của các pic phản xạ và pic huỳnh quang ở các nhiệt độ khác nhau; f) Bước sóng trung tâm phản xạ/cường độ phản xạ so với nhiệt độ; Nhiệt độ thay đổi g) Hiệu suất lượng tử và h) Tuổi thọ huỳnh quang; i) Sơ đồ POM có nhiệt độ thay đổi tại chỗ; j) Quang phổ được phân giải theo góc ở nhiệt độ thay đổi tại chỗ (chế độ phản xạ).

Hình 5. Sự biến đổi Kossel tại chỗ trong quá trình thay đổi nhiệt độ của các mẫu hoàn toàn polyme. a) Ô Kossel; b) Đồ thị Kossel/mạng BP so với nhiệt độ; c) Bán kính hình tròn tâm Kossel (R) và bước sóng tâm phản xạ (λ) so với nhiệt độ (T).

Hình 6. Những thay đổi vi cấu trúc và các đặc tính laser khác của các mẫu toàn polyme trong quá trình thay đổi nhiệt độ. a) Sự thay đổi mạng HA ở các nhiệt độ khác nhau. a1) Mạng BPI co lại theo (110); a2) mạng BPI gần như không thay đổi; a3) tăng tốc độ giãn nở của tinh thể BPI dọc theo (110); b) phát xạ laze theo ba hướng trực giao x, y và z, năng lượng bơm: 0,205 μJ/xung; c) kiểm tra độ phân cực của laser, L/RCP: ánh sáng phân cực tròn trái/phải, năng lượng bơm: 0,205 μJ/xung. năng lượng bơm: 0,205 μJ/xung.