Το RIKEN κάνει νέα πρόοδο σε εξαιρετικά ευρύ εύρος θερμοκρασίας (-180~240 μοίρες) Μπλε φάση λέιζερ υγρών κρυστάλλων

Τα λέιζερ υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης (BPLC), με το χαμηλό κατώφλι λέιζερ, την απόκριση πολλαπλών ερεθισμάτων, την εκπομπή πολλαπλών κατευθύνσεων και τη δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης σε πραγματικό χρόνο, έχουν εξαιρετικές προοπτικές εφαρμογής στην ανίχνευση, την απεικόνιση και την καταπολέμηση της παραχάραξης. Επί του παρόντος, η έρευνα στα λέιζερ υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης περιλαμβάνει τη δυνατότητα συντονισμού του μήκους κύματος του λέιζερ κάτω από εξωτερικά ερεθίσματα (π.χ. φως, ηλεκτρισμός, θερμότητα, δύναμη κ.λπ.), και το στενό παράθυρο θερμοκρασίας των ίδιων των BPLC έχει οδηγήσει σε αυξανόμενο ενδιαφέρον στη μελέτη λέιζερ BPLC ευρείας περιοχής θερμοκρασίας. Η υιοθέτηση συστημάτων σταθεροποίησης πολυμερών έχει διευρύνει με επιτυχία το εύρος θερμοκρασίας των BPLC στους 500 βαθμούς, γεγονός που οδηγεί επίσης στην αντίστοιχη διεύρυνση του εύρους θερμοκρασίας των λέιζερ BPLC. Ωστόσο, σε σύγκριση με άλλα οργανικά λέιζερ, η τυχαία κρυστάλλωση μικρών μορίων της κινητής φάσης σε BPLCs σε χαμηλές θερμοκρασίες και η κακή συμβατότητα μεταξύ της χρωστικής και του συστήματος καθιστούν δύσκολη την εκπομπή λέιζερ κάτω από 0 βαθμούς σε BPLCs. Επιπλέον, ο μηχανισμός λειτουργίας των λέιζερ BPLCs σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι ακόμα ασαφής. Αυτό περιορίζει σοβαρά τις πιθανές εφαρμογές των λέιζερ BPLCs σε άλλα περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας όπως το πολικό, το βαθύ ωκεανό και το διάστημα. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός κατάλληλων συστημάτων BPLCs ώστε να πληρούν την καλή συμβατότητα του συστήματος και το αντιψυκτικό χαμηλής θερμοκρασίας είναι σημαντικός για την ανάπτυξη λέιζερ BPLC χαμηλής θερμοκρασίας.
Προκειμένου να λυθούν τα παραπάνω προβλήματα, η ομάδα του ακαδημαϊκού Jiang Lei και του ερευνητή Wang Jingxia από το Κέντρο Βιοανοϋλικών και Επιστήμης Διεπαφής του Ινστιτούτου Φυσικής και Χημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, παρασκεύασε υγρούς κρυστάλλους μπλε φάσης σταθεροποιημένους σε πολυμερή με ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (-190 βαθμοί ~360 βαθμοί ) στην προηγούμενη εργασία τους (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); Προσαρμόζοντας τα κέντρα διάκενου ζώνης και τα σχέδια βαφής των υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης, καταφέραμε να επιτύχουμε τα ίδια αποτελέσματα. Με την προσαρμογή του προετοιμασμένου κέντρου ζώνης υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης, της παραμέτρου παραγγελίας βαφής, της ποιότητας κοιλότητας συντονισμού και της ενέργειας αντλίας, έχει επιτευχθεί ελεγχόμενο lasing επιφανειακών εκπομπών μίας έως τεσσάρων τρόπων στις κοιλότητες συντονισμού υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης με βαφή (C6-BPLCs) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); Οι προετοιμασμένοι υγροί κρύσταλλοι μπλε φάσης χρησιμοποιούνται ως πρότυπα για την παρασκευή πολύχρωμων υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης υψηλής ανάλυσης. Χρησιμοποιώντας τους παρασκευασμένους μπλε υγρούς κρυστάλλους ως πρότυπα, παρασκευάστηκαν πολύχρωμοι μπλε υγροί κρύσταλλοι υψηλής ανάλυσης (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); και με τη ρύθμιση της περιεκτικότητας σε πολυμερές των μπλε υγρών κρυστάλλων, ελήφθη το σύστημα πολυμερούς σκαλωσιάς των μπλε υγρών κρυστάλλων και το εύρος θερμοκρασίας των BPLC επεκτάθηκε στους 25~230 βαθμούς (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Μητήρ. 2022, 34 (47), 2206580.
Πρόσφατα, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε επιτυχώς ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασίας λέιζερ ({{0}} βαθμός ) κάτω από 0 μοίρες από ορθολογική επιλογή και σχεδιασμό συστήματος, μειώνοντας την τυχαία κρυστάλλωση μικρών μορίων υγρών κρυστάλλων σε χαμηλή θερμοκρασίες με πλήρη πολυμερισμό και επιλογή εύκαμπτων στην αλυσίδα μονομερών υγρών κρυστάλλων (RM105) και μορίων βαφής (DCMs) για τη βελτίωση της συμβατότητας του συστήματος. Αποδείχθηκε ότι τα πλήρως πολυμερή BPLC εμφάνισαν στενό εύρος γραμμής λέιζερ (0,0881 nm) και χαμηλό κατώφλι λέιζερ (37 nJ/παλμό) λόγω της καλής συμβατότητας του συστήματος. Εν τω μεταξύ, το πλήρως πολυμερισμένο σύστημα αύξησε τη φωτοθερμική σταθερότητα των δειγμάτων, συμπεριλαμβανομένων επαρκών σημάτων ανάκλασης/φθορισμού, κατάλληλων κβαντικών αποδόσεων και διάρκειας ζωής φθορισμού, ταιριασμένων φασμάτων ανάκλασης και φθορισμού, σταθερής κατασκευής BPLC και υψηλής θερμοκρασίας αποσύνθεσης, που επέτρεψαν στα δείγματα να εκπέμπουν φως λέιζερ σε -180-240 βαθμό . Επιπλέον, οι κανόνες μεταβολής του μήκους κύματος λέιζερ και του κατωφλίου των BPLC σε χαμηλή θερμοκρασία (<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.
Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται ως Υπερ-ευρεία λέιζερ θερμοκρασίας που εκτείνονται από -180 βαθμό έως 240 μοίρες με βάση πλήρως πολυμερισμένες υπερδομές μπλε φάσης, που δημοσιεύονται στο Advanced Materials.
Ο αντίστοιχος συγγραφέας του άρθρου είναι ο Δρ Jingxia Wang του Ινστιτούτου Φυσικής και Χημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών. Ο Yujie Chen, διδάκτορας στο IUPAC, CAS, ήταν ο πρώτος συγγραφέας. Ο κ. Jing Li και ο κ. Feng Jin από το IUPAC βοήθησαν στον χαρακτηρισμό με λέιζερ των υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης, ο καθηγητής Lei Shi από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Fudan βοήθησε στον χαρακτηρισμό του φωτονικού κενού ζώνης των υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης, και ο Ακαδημαϊκός Lei Jiang από το Ινστιτούτο Φυσικής και Χημείας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, παρείχαν επαγγελματική καθοδήγηση και βοήθεια για αυτή τη μελέτη.
Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας και το Ολλανδικό Ερευνητικό Πρόγραμμα της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών.

Εικόνα 1. Χημική δομή και χαρακτηρισμός πλήρως πολυμερισμένων BPLC. α) Χημικοί συντακτικοί τύποι των ουσιών που χρησιμοποιούνται στα πλήρως πολυμερισμένα δείγματα χρωστικών ουσιών. β) Σχηματικό διάγραμμα των μικροδομικών αλλαγών των δειγμάτων στον τομέα θερμοκρασίας λέιζερ -180 - 240 μοιρών. γ) Οικόπεδα ΤΕΜ. δ) Οικόπεδα Kossel. Μεταβλητή θερμοκρασία ε) Φάσματα ανάκλασης και στ) Φάσματα φθορισμού των δειγμάτων -180 - 240 βαθμού . ζ) μήκος κύματος λέιζερ σε σχέση με τη θερμοκρασία. η) σύγκριση της παρούσας εργασίας με το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας των λέιζερ υγρών κρυστάλλων μπλε φάσης στη βιβλιογραφία.

Σχήμα 2. Σύγκριση της απόδοσης αυτού του συστήματος πολυμερούς με άλλα συστήματα και δοκιμή συμβατότητας βαφής. α) Σύγκριση του εύρους θερμοκρασίας λέιζερ. β) Σύγκριση του ορίου λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου. γ) Δοκιμή διαλυτότητας βαφής υπό POM c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; γ2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6, στους 120 βαθμούς. Αυτό δείχνει ότι το DCM έχει καλύτερη συμβατότητα με το RM105. δστ) Θεωρητικοί υπολογισμοί της πυκνότητας συνεκτικής ενέργειας (CED), πειραματικό σύστημα: RM105 + RM257 + DCM; σύστημα ελέγχου: C6M + C6. Το πειραματικό σύστημα έχει μεγαλύτερη CED και παράμετρο διαλυτότητας (δ) από το σύστημα ελέγχου, γεγονός που υποδηλώνει ότι το σύστημα πολυμερούς έχει καλύτερη συμβατότητα από το C6M + C6. ζ) Δ) Θεωρητικοί υπολογισμοί DCM, RM105 + 4.5 mg DCM. γ2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 στους 120 βαθμούς. (ζ) Διάγραμμα DSC, υπάρχει μόνο μία θερμοκρασία μετάπτωσης γυαλιού (Tg=26.7 βαθμοί ) για το δείγμα εξ ολοκλήρου πολυμερούς, ενώ δεν υπάρχει μόνο Tg (-42.94 βαθμοί ), αλλά επίσης μια κορυφή κρυστάλλωσης (Tc=-24.95 μοίρες) και μια κορυφή μετάπτωσης φάσης του μη πολυμερισμένου συστατικού (TBP=77.35 μοίρες) για το δείγμα με βαθμό πολυμερισμού 25 wt%. (TBP= 77.35 βαθμοί ).
Σχήμα 3. Ιδιότητες λέιζερ των δειγμάτων εξολοκλήρου πολυμερούς. αβ) Φάσματα εκπομπής, -180-240 βαθμός ; γδ) FWHM του λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου. ε) Κατώφλι λέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου. στ) Κατώφλι έναντι θερμοκρασίας σε σχήμα "U".

Εικόνα 4. Ανάλυση φωτοθερμικών ιδιοτήτων δειγμάτων εξολοκλήρου πολυμερούς. α) Θερμοβαρυμετρική ανάλυση. βδ) In situ μεταβλητή θερμοκρασία XRD. ε) Σχετικές θέσεις κορυφών ανάκλασης και κορυφών φθορισμού σε διαφορετικές θερμοκρασίες. στ) Μήκος κύματος κέντρου ανάκλασης/ένταση ανάκλασης σε σχέση με τη θερμοκρασία. Μεταβλητές θερμοκρασίες ζ) Κβαντικές αποδόσεις και η) Διάρκειες ζωής φθορισμού. i) Διαγράμματα POM μεταβλητής θερμοκρασίας επί τόπου. ι) In situ μεταβλητή θερμοκρασία γωνιακά διαχωρισμένα φάσματα (τρόπος ανάκλασης).

Σχήμα 5. Επιτόπια διακύμανση Kossel κατά τη διάρκεια αλλαγής θερμοκρασίας δειγμάτων πολυμερούς. α) Οικόπεδα Kossel. β) Οικόπεδα Kossel / πλέγμα BP σε σχέση με τη θερμοκρασία. γ) Κυκλική ακτίνα κέντρου Kossel (R) και μήκος κύματος κέντρου ανάκλασης (λ) έναντι θερμοκρασίας (T).

Εικόνα 6. Μικροδομικές αλλαγές και άλλες ιδιότητες λέιζερ δειγμάτων εξολοκλήρου πολυμερούς κατά τη διάρκεια της αλλαγής θερμοκρασίας. α) Μεταβολές του πλέγματος BP σε διαφορετικές θερμοκρασίες. α1) Το πλέγμα BPI συστέλλεται κατά μήκος (110). α2) σχεδόν αμετάβλητο πλέγμα BPI. α3) επιταχυνόμενη διαστολή των κρυστάλλων BPI κατά μήκος (110). β) εκπομπή λέιζερ σε τρεις ορθογώνιες κατευθύνσεις x, y και z, ενέργεια αντλίας: 0.205 μJ/παλμό; γ) δοκιμή πόλωσης του λέιζερ, L/RCP: αριστερά/δεξιά κυκλικά πολωμένο φως, ενέργεια αντλίας: 0,205 μJ/παλμό. ενέργεια αντλίας: 0,205 μJ/παλμό.