Nature：基于螺旋聚合物的圆偏振光成像研究

摘要

摘要图
本研究提出了一种通过超分子螺旋有序化共轭聚合物链的策略，制备具有显著光学手性和光电响应的柔性薄膜层。通过挥发性对映异构体的手性模板引导，去除模板后形成一维螺旋纳米纤维，显著增强了薄膜的圆二色性（CD）响应，并提高了偏振吸收和光子自旋成像的分辨率。制备的薄膜可用于高灵敏度和高分辨率的圆偏振光检测，特别是基于光子自旋自由度的信息处理，展示了其在量子网络和偏振成像中的广阔应用潜力。

关键词

  • 螺旋聚合物
  • 圆偏振光（CPL）
  • 光电探测器
  • 圆二色性（CD）
  • 手性分子
  • 光子自旋角动量

研究背景

圆偏振光（CPL）的检测与成像是量子信息处理、光通信及光学传感的关键技术之一。然而，由于传统手性分子薄膜的光学活性较弱且均匀性不足，导致自旋角动量检测的灵敏度和准确性较低。近年来，研究者尝试利用镜像不对称（meta）材料及表面实现高效的偏振旋转，但这些方法通常需要复杂的纳米加工技术，难以兼容芯片级制造。本研究通过手性分子模板诱导形成多尺度手性结构的超分子有序化薄膜，提供了一种全新的解决方案。

创新点

  • 提出了通过手性模板诱导形成多尺度手性结构的策略。
  • 开发了高性能的柔性圆偏振光敏感薄膜，实现高达 \(-1.2\) 的光学非对称因子（\(g\)）。
  • 实现了基于螺旋纳米纤维的实时光子自旋可视化。
  • 薄膜的制备方法简单高效，具有可扩展性。

研究内容

通过挥发性手性模板（例如 R5011 或 S5011）的引入，本文设计了超分子螺旋有序化的共轭聚合物链（如 PCPDTTBTT）。在模板去除后，形成一维螺旋纳米纤维结构，这些纳米纤维展现出显著的圆二色性（CD）信号和高 dissymmetry 因子（\(|g| \approx -1.2\)）。光学表征表明，模板化后的薄膜能够显著增强光的偏振吸收特性，并通过分子内激子耦合实现有效的光子自旋信号转化。进一步的光电探测器开发中，通过优化 ZnO 和 MoO₃/Au 界面，制备了性能优异的有机光电二极管（OPDs）。这些 OPDs 在反向偏压下展现了极高的光电响应与灵敏度，能够实时检测和成像光子自旋角动量。此外，研究还探讨了该方法在芯片集成中的潜力，为下一代光电子学设备提供了新方向。

图1
图1 | 具有手性特性的光子自旋传感器的设计与应用。

(a) 光子自旋传感器的示意图。通过手性掺杂剂的挥发性外消旋模板化以及热处理中的链重排生成超分子排列的共轭染料分子。长程分子间手性活动确保了强大的激子耦合，在 S5011 掺杂的超分子螺旋中展现高不对称性能。 (b) 示意图显示了在未知椭圆偏振光束中提取偏振信息的过程，以及在片上器件中实现实时空间和时间分辨成像的光学路径。

图2
图2 | 手性掺杂聚合物膜的分子堆积信息及其光学特性。

(a) CPDT 基质的纯膜以及 R5011 或 S5011 掺杂膜的圆二色光谱 (CD)。 (b–d) 使用 SEM (b)、AFM (c) 和横截面 SEM (d) 技术观察 S5011 掺杂聚合物膜的形貌结构。 (e, f) 经退火处理后的纯膜 (e) 和 R5011 掺杂膜 (f) 的二维 GIWAXD 图谱，展示其结晶性能。 (g) 四方二维柱状相的螺旋 \(\pi\)-堆积装配的示意图，展现分子排列特性。

图3
图3 | 基于手性掺杂聚合物膜的圆偏振光光电探测器的性能。

(a) 优化的 CP 光电探测器的 I–V 特性曲线，以及与时间相关的自旋角动量 (SAM) 检测 g\(_\text{Ph}\) 值标记。 (b) 文献中报道的光电流和吸收率的不对称因子 g\(_\text{Ph}\) 的关联图，显示本研究的成果。 (c) 优化后的 CP 光电探测器在 -10 V 下的时间依赖 SAM 检测与 g\(_\text{Ph}\) 值的关系。 (d) 长时间稳定性测试结果，表明器件的可靠性。 (e) 不同工作电压下 CP 光电探测器的 g\(_\text{Ph}\) 和特定探测度 \(D^*\) 的比较。 (f) CP 光电探测器的工作原理示意图，包括不同电压和光束曝光条件下的响应机制。

图4
图4 | 手性掺杂聚合物膜的光学活性。

(a) 根据理论模型拟合的光电流值随偏振光束参数变化的曲线。 (b) 在样品方位旋转与入射光束角度变化条件下，手性光学特性的实验结果。 (c) 通过 Mueller 矩阵光谱椭偏仪测量的传输与反射模式下的 CD 相关系数 \(m_{03}\)。 (d) 不同偏振光轴角度下的电信号输出，验证其对椭圆偏振光的响应。 (e) 在 635 nm 和 670 nm 波长光照下，不同入射角对应的 \(D^*\) 和 \(g_\text{Ph}\) 值分布。 (f) 根据光学螺旋信息提取的多位电信号输出示意图。

图5
图5 | 自旋角动量 (SAM) 的检测与轨迹可视化。

(a, b) 30 × 30 光电二极管阵列的实物图和示意图。 (c) 在 CP 探测模式下记录的二维光电流映射数据，显示交替照射左旋和右旋 CPL 光束的信号变化。 (d) 被动矩阵实时成像系统的示意图与实物图，展示了列选择和行多路复用操作。 (e) 根据光束偏振状态变化的像素级数字信号输出，蓝色方框为光斑迁移区域。

结论与展望

通过手性模板化技术，本研究成功制备了具有高光学非对称性和光电活性的柔性薄膜，能够实现实时光子自旋的可视化与信息处理。未来的研究方向包括优化薄膜设计以适配更广的光谱范围，并探索其在量子计算、光学成像及偏振光通信中的应用潜力。

论文直达

原文标题：Helical polymers for dissymmetric circularly polarized light imaging

原文卷期号：Nature 2023, 617, 92–99

点击以下链接阅读原文：

原论文链接 >>>