近日，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所副研究员丁宝福团队在《光：科学与应用》发表最新研究成果，研究团队报道了首个0D/2D偏振发光异质结，为偏振发光家族增添了新成员。

研究背景

偏振光的产生、调制和检测在光通信、激光加工、动态显示和生物医学成像等多个领域发挥着关键作用。多功能原型器件的进步，无缝集成了一系列光学控制技术，在满足偏振光学的未来需求方面具有巨大的潜力，强调低功耗、功能集成和具有成本效益的光学元件。

偏振光源具有光发射和光调制的双重属性，具有偏振光发射和自适应光调制等诸多独特优势。然而，传统的有机偏振光源面临着一个或多个挑战，例如对外部场不敏感、发光效率低或紫外光学稳定性不足。

新型光源的创新具有对外场的高度敏感性、在深紫外波长范围内的稳定性和更高的发光效率，对于多功能光学控制器件的制造具有至关重要的意义。由于低维无机材料在一个或多个维度上具有纳米级尺寸，因此与块状材料相比，低维无机材料表现出独特的物理性质，包括显着的量子约束效应和大量的光学各向异性。

具体而言，由不同尺寸的材料衍生而成的复合异质结构具有卓越的电学、磁性、催化和光化学性能，在相关应用中表现出卓越的性能。然而，偏振光源领域的进步仍然受到阻碍，主要归因于复合材料异质结构构建技术不成熟以及不同尺寸材料之间缺乏互补性能特征的挑战。

2D材料与0D量子点的“联姻”

对此，深圳先进院丁宝福、成会明和王锋等利用“维度联姻”的概念，将蓝色无机碳点耦合到2D纳米片上，创造了一个全无机的0D碳点/2D纳米片异质结发光系统，实现了一种结合高发光效率和偏振特性的蓝色发光材料的开发，为扩大偏振发光材料家族提供了一种新的方法。研究团队构建的0D/2D异质结构通过化学吸附诱导Ti-O-C键的形成，有效地锚定了0D碳点。

a， 复合材料在调制-发射集成中的集成光学性能示意图;b， 紫外波长范围检测性能对比分析;c， 电场调制（E = 6 V/mm）下不同极化角的发射强度比较。图片来源：徐宏伟、刘景伟、魏胜、罗杰、龚睿、田思远、杨一琦、雷玉坤、陈新满、王家红、钟高阔、唐永兵、王峰、程慧明和丁宝福

构建0D/2D异质结构偏振发光材料的关键，不仅在于用不同尺寸的材料有效地锚定组件，还在于确保它们的光学特性能够无缝协调。为了避免2D材料对0D发光材料激发和发射光之间的潜在吸收猝灭，研究团队采用了具有宽带隙和高场灵敏度的钴掺杂二氧化钛（CTO）作为基础色散元件。

通过化学吸附诱导Ti-O-C键的形成，该团队成功合成了CDs/CTO异质结的胶体溶液。这种胶体溶液刚好保留了CTO的光学各向异性特性和CDs的有效蓝色发光特性，这也就意味着研究人员成功构建了一款全无机CDs/CTO异质结构的偏振发光材料。

通过将零维发光材料缺乏各向异性的高发光效率与二维材料强大的光偏振调制能力相结合，使两种低维材料的光学特性互补，从而实现碳点的偏振发光。此外，利用异质结的二向色吸收，实现了360至385 纳米范围内的紫外光检测。该方式首次集成偏振光发射，紫外光检测和可见光调制的多功能光电器件的构建。这其中，CDs的偏振光发射是通过CTO诱导的定向排列实现的，这标志着研究人员基于上述方案成功开发出一种无缝集成调制、发射和检测的多功能光学控制原型装置。

该研究引入了全无机异质结构偏振发光纳米复合材料的概念，实现了偏振发光的突破。基于量子点材料系统实现高效偏振发光的挑战被巧妙地克服，扩大了偏振发光材料的家族。此外，集成光发射、调制和检测的多功能器件的构建为低能耗、智能或集成光学器件的发展引入了新思路。

荧光偏振在科学和工程领域有多种应用，包括3D显示、光学数据存储、光学生物传感器和材料结构分析，开发高效稳定的偏振荧光材料具有重要的研究意义和实际应用价值。

该研究成果不仅为偏振发光材料家族引入了一个新成员，还为开发各种异质结构发光材料提供了新的视角和创新的方法。这些特性的融合为光学调制和检测，以及对偏振发光的调制提供了一种有形的原型器件。这一发现将有可能应用于光催化、生物医学应用、显示和光通信等多个不同领域。

文章来源： 量子梦，CINNO，中国科学报