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光波导系统可以由基于折射率变化的无源元件（如光纤）或产生增益或引入非线性光学效应以进行信号放大的有源元件组成。光致发光分子和纳米材料具有作为有源波导的潜在应用，但往往受到高光学损耗和复杂制造工艺的限制。
鉴于此，安徽大学朱满洲教授与陈爽副教授报道了配体保护的金属纳米团簇（LPMNC）可以作为波导，具有强、稳定和可调谐的发射。研究人员合成并确定了两种合金配体保护的金属纳米团簇 Pt1Ag18 和 AuxAg19-x(7≤x≤9)。
两种纳米团簇的晶体均表现出优异的光波导性能，光损耗系数分别为 5.26 × 10−3 和 7.77 × 10−3 分贝每微米（dB μm−1），低于大多数无机、有机和混合材料所表现出的光损耗系数 材料。Pt1Ag18 化合物的晶体堆积和分子取向导致了 0.91 的极高偏振比。聚集使Pt1Ag18 和 AuxAg19-x纳米团簇的量子产率分别提高了115 倍和1.5 倍。相关研究成果以题为“Ligand-protected metal nanoclusters as low-loss, highly polarized emitters for optical waveguides”发表在最新一期《Science》上。
该篇论文是安徽大学首次以第一完成单位在《Science》上发表的研究论文，实现了科研工作的历史性突破，是重大科技原创成果。近些年来，安徽大学聚焦高质量发展，以学科建设为龙头，全面推进学校“双一流”建设，在人才培养、师资队伍、科学研究、平台建设、社会服务等方面进展显著。7月16日，自然指数官网更新了最新的自然指数排名（统计时间节点为2022.4.1-2023.3.31），安徽大学位居内地高校第48位。同时，安徽大学已经进入ESI前1%的六个学科千分位排名依然保持上升势头。材料科学学科首次进入ESI前3‰,排名前2.963‰。
【Pt1Ag18与AuxAg19-x的晶体结构】
作者报告了两种LPMNC的光波导性能，[Pt1Ag18(S-Adm)2(DPPP)6Cl6](SbF6)(AgCl2)（简称Pt1Ag18，其中S-Adm为金刚烷硫醇，DPPP为1,3-双二苯基膦丙烷），[AuxAg19-x(S-Adm)2(DPPP)6Cl6](ClO4)3(以下简称为AuxAg19-x，其中7≤x≤9)，两者都具有棒状结构和强发射特性。
Pt1Ag18结构由一个中心Pt原子和12个Ag原子组成的内核组成（图1A）被由六个DPPP配体（图1C）和两个冠状Ag3Cl3(S-Adm)1主基序组成的壳包围（图1B）。表面壳的两个Ag3Cl3(S-Adm)1基序分布在Pt1Ag12内核的每一侧，每个基序通过三个Ag-Cl键与内核中的Ag原子连接。键长为2.44 Å，形成棒状Pt1Ag18(S-Adm)2(DPPP)6(S-Adm)2结构。六个DPPP配体中的每一个中的两个磷原子以平行于Pt1Ag18Cl6(S-Adm)2棒的形式与冠状基序和Pt1Ag12内核中的Ag原子键合（图1C)，得到[Pt1Ag18(S-Adm)2(DPPP)6Cl6]2+的总结构(图1H)。每个晶胞包含两个带有抗衡离子SbF6-和AgCl2-的Pt1Ag18分子（图1M）；一个位于晶胞的顶点（Pt1Ag18-1，图1M中的黄色高亮部分），另一个位于晶胞的中心（Pt1Ag18-2，图1M中的粉色高亮部分）。在层状Pt1Ag18-1和Pt1Ag18-2中，DPPP配体的顶部和底部苯环（图1I）与Pt1中苯环的CH键之间存在明显的π…π分子间相互作用。
图1. Pt1Ag18的晶体结构
AuxAg19-x NCs采用一锅合成法制备，通过单晶X射线衍射(SCXRD)表征的结构如图2所示。总结来说，两种NC均由二十面体M13核心、两个冠状M3Cl3(SR)1主基序和六个DPPP配体组成。
图2. AuxAg19-x的晶体结构
【Pt1Ag18和AuxAg19-x的光波导】
研究人员通过光波导研究了Pt1Ag18和AuxAg19-x NC晶体的光子性质。在非聚焦照射下，Pt1Ag18和AuxAg19-x晶体的边缘比中心更亮，表明它们的光波导行为（图3A、B），光子主要沿着一维微棒晶体轴的两个方向在两个主要传输方向上传播（图3D、E）。作者通过单指数拟合计算了光损耗系数（R）（图3E、F），在Pt1Ag18微棒中，计算出的R为5.26×10-3 dBμm-1，在AuxAg19-x微棒中，计算出的R为7.77×10-3 dBμm-1，这分别归因于它们对非辐射跃迁、致密晶体堆积和大斯托克斯位移的抑制。此外，还研究了其他NC的光波导性能，揭示了配体保护的原子精确NC之间的普遍性。
图3. Pt1Ag18和AuxAg19-x的光波导
【Pt1Ag18和AuxAg19-x的偏振光学性能】
Pt1Ag18和AuxAg19-xNC不同的晶体结构和堆积模式导致了它们不同的偏振波导性能。Pt1Ag18微棒显示出优异的偏振性能，偏振比为0.91，而AuxAg19-xNC微棒显示出弱偏振发射，偏振比为0.17。
图4. Pt1Ag18和AuxAg19-x的偏振光学性能
【光致发光特性】
作者通过测量其量子产率 (QY)（定义为发射光子与吸收光子的比率）和 PL 寿命，进一步探索了Pt1Ag18和AuxAg19-x作为无定形固体和在二氯甲烷溶液中的发射（图5）。总的来说，Pt1Ag18和AuxAg19-xNC显示出AIEE效应，并且观察到Pt1Ag18（28.9% vs. 0.25%）和AuxAg19-xNC（6.91% vs. 4.66%）从固态到溶液的QY增强了115倍和1.5倍。
图5. Pt1Ag18和AuxAg19-x的光致发光
【小结】
总的来说，本文结果表明Pt1Ag18和AuxAg19-xNC有用于光通信和小型光电器件的潜力。这种具有低损耗和高偏振的光子簇为有源波导和可偏振材料提供了一个通用的多功能平台。
【作者简介】
陈爽，安徽大学副教授，硕士生导师。目前主要从事金属纳米团簇的设计合成，结构以及性质研究工作。以第一作者/通讯作者在J. Am. Chem. Soc. (3篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)，ACS Nano (1篇), J. Phys. Chem. Lett. (1篇), Chem. Commun. (1篇), Chem Electro Chem (1篇)等高影响力国际刊物上发表学术论文多篇，累计被他人引用400余次。
朱满洲，安徽大学二级教授、博士生导师。杂化材料结构与功能调控教育部重点实验室主任（2019-）。无机-有机杂化功能材料化学安徽省重点实验室主任（2017-）。“无机/有机杂化功能材料的可控制备及应用”教育部创新团队和全国高校黄大年式教师团队负责人。“杂化材料结构与功能调控”科技部高等学校学科创新引智计划基地负责人（2021-）。英国皇家化学会杂志Nanoscale和 Nanoscale Advances副主编（2020-），Nanoscale Horizons顾问委员会成员。兼任教育部高等学校教学指导委员会材料类专业教学指导委员会委员（2018-）、校学术委员会委员（2018-）、化学化工学院教授（学术）委员会主任（2015-）。
来源：高分子科学前沿
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