RIKEN досягає нового прогресу в ультраширокому діапазоні температур (-180~240 градусів) на блакитній фазі на рідких кристалах

Лазери на синіх фазових рідких кристалах (BPLC) з їх низьким порогом лазерного спрацьовування, реакцією на багато подразників, різнонаправленим випромінюванням і можливістю реконфігурації в реальному часі мають великі перспективи застосування для датчиків, відображення та боротьби з підробками. В даний час дослідження рідкокристалічних лазерів із синьою фазою включають можливість регулювання довжини хвилі лазера під впливом зовнішніх подразників (наприклад, світла, електрики, тепла, сили тощо), а вузьке температурне вікно самих BPLC призвело до зростаючого інтересу при дослідженні широкотемпературних лазерів BPLCs. Застосування систем полімерної стабілізації успішно розширило діапазон температур BPLC до 500 градусів, що також призводить до відповідного розширення діапазону температур лазерів BPLC. Однак, порівняно з іншими органічними лазерами, випадкова кристалізація малих молекул рухомої фази в BPLC за низьких температур і погана сумісність між барвником і системою ускладнюють випромінювання лазерів нижче 0 градусів у BPLC. Крім того, механізм роботи лазерів BPLC при низьких температурах досі неясний. Це серйозно обмежує потенційне застосування лазерів BPLC в інших низькотемпературних середовищах, таких як полярні, глибоководні та космос. Тому розробка відповідних систем BPLC для забезпечення гарної сумісності системи та низькотемпературного антифризу є важливою для розробки низькотемпературних лазерів BPLC.
Щоб вирішити вищевказані проблеми, команда академіка Цзян Лея та дослідника Ван Цзінься з Центру біонаноматеріалів та науки про інтерфейс Інституту фізики та хімії Китайської академії наук підготувала полімерно-стабілізовані рідкі кристали синьої фази з широкий діапазон температур (-190 градус ~360 градусів ) у їхній попередній роботі (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); регулюючи центри забороненої зони та шаблони забарвлення рідких кристалів синьої фази, ми змогли досягти тих же результатів. Шляхом регулювання підготовленого центру забороненої зони рідкого кристала блакитної фази, параметра впорядкування барвника, якості резонансної порожнини та енергії накачування було досягнуто контрольованої генерації поверхневого випромінювання від однієї до чотирьох мод у резонансних порожнинах рідких кристалів блакитної фази, легованих барвником. (C6-BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); підготовлені рідкі кристали блакитної фази використовуються як шаблони для приготування багатоколірних рідких кристалів блакитної фази з високим роздільним рівнем. Використовуючи підготовлені блакитні рідкі кристали як матриці, були отримані багатоколірні блакитні рідкі кристали з високою роздільною здатністю (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); і завдяки регулюванню вмісту полімеру в блакитних рідких кристалах була отримана система полімерних каркасів синіх рідких кристалів, а температурний діапазон BPLC було розширено до 25~230 градусів (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Матер. 2022, 34 (47), 2206580.
Нещодавно дослідницька група успішно реалізувала широкий діапазон температур лазера ({{0}} градусів) нижче 0 градусів шляхом раціонального вибору та дизайну системи, зменшуючи випадкову кристалізацію малих рідкокристалічних молекул на низьких температур шляхом повної полімеризації та вибору гнучких рідкокристалічних мономерів (RM105) і молекул барвників (DCM) для покращення сумісності системи. Було показано, що повністю полімерні BPLC демонструють вузьку ширину лазерної лінії (0,0881 нм) і низький поріг лазерного спрацьовування (37 нДж/імпульс) завдяки добрій системній сумісності; тим часом повністю полімеризована система підвищила фототермічну стабільність зразків, включаючи достатні сигнали відбиття/флуоресценції, відповідні квантові виходи та тривалість життя флуоресценції, узгоджені спектри відбиття та флуоресценції, стабільне виготовлення BPLC та високу температуру розкладання, що дозволило зразкам випромінювати лазерне світло в -180-240 градус. Крім того, закони зміни довжини хвилі лазера та порогу BPLC при низькій температурі (<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.
Результати представлені як надширокі температурні лазери в діапазоні від -180 градусів до 240 градусів на основі повністю полімеризованих синіх фазових суперструктур, опублікованих у Advanced Materials.
Автором статті є доктор Jingxia Wang з Інституту фізики та хімії Китайської академії наук. Юцзі Чен, докторант IUPAC, CAS, був першим автором. Пан Цзін Лі та пан Фенг Цзінь з IUPAC допомогли охарактеризувати лазерну характеристику рідких кристалів синьої фази, професор Лей Ши з факультету фізики Університету Фудань допоміг охарактеризувати фотонну заборонену зону рідких кристалів блакитної фази, і академік Лей Цзян з Інституту фізики та хімії Китайської академії наук забезпечили професійне керівництво та допомогу в цьому дослідженні.
Це дослідження було підтримано Національним фондом природничих наук Китаю та Нідерландською дослідницькою програмою Академії наук Китаю.

Рисунок 1. Хімічна структура та характеристика повністю полімеризованих BPLC. а) Хімічні структурні формули речовин, використаних у повністю полімеризованих зразках легованих барвників; b) Схематична діаграма мікроструктурних змін зразків в області лазерної температури -180 - 240 градусів; в) ТЕМ-ділянки; г) ділянки Косселя; Змінна температура e) Спектри відбивання та f) Спектри флуоресценції зразків -180 - 240 ступеня ; g) залежність довжини хвилі лазера від температури; з) порівняння даної роботи з діапазоном робочих температур рідкокристалічних лазерів на блакитній фазі в літературі.

Малюнок 2. Порівняння ефективності цієї повністю полімерної системи з іншими системами та тест на сумісність барвників. а) Порівняння діапазону температур лазера; б) Порівняння порогу лазера при кімнатній температурі; c) Тест на розчинність барвника під POM c1) 90.0 мг RM105 + 4.5 мг DCM; c2) 90.0 мг C6M + 4.5 мг C6, при 120 градусах. Це означає, що DCM має кращу сумісність із RM105. df) Теоретичні розрахунки густини когезійної енергії (CED), експериментальна система: RM105 + RM257 + DCM; система управління: C6M + C6. Експериментальна система має більший CED і параметр розчинності (δ), ніж контрольна система, що свідчить про те, що повністю полімерна система має кращу сумісність, ніж C6M + C6. g) D) Теоретичні розрахунки DCM, RM105 + 4,5 мг DCM; c2) 90,0 мг C6M + 4.5 мг C6 при 120 градусах. (g) Графік DSC, існує лише одна температура склування (Tg=26.7 градусів ) для повністю полімерного зразка, тоді як існує не лише Tg (-42.94 градуси ), але також пік кристалізації (Tc=-24.95 градусів ) і пік фазового переходу неполімеризованого компонента (TBP=77.35 градусів ) для зразка зі ступенем полімеризації 25 мас.%. (TBP= 77.35 градусів).
Рисунок 3. Лазерні властивості повністю полімерних зразків. ab) Спектри випромінювання, -180-240 ступінь ; cd) FWHM лазера при кімнатній температурі; д) Лазерний поріг при кімнатній температурі; f) Залежність порогового значення від температури у формі «U».

Рисунок 4. Аналіз фототермічних властивостей повністю полімерних зразків. а) Термогравіметричний аналіз; bd) XRD зі змінною температурою in situ; e) Відносні положення піків відбиття та піків флуоресценції при різних температурах; f) Залежність довжини хвилі центру відбиття/інтенсивності відбиття від температури; Змінні температури g) Квантові виходи та h) Тривалість життя флуоресценції; i) Діаграми POM зі змінною температурою in situ; j) Спектри зі змінною температурою in situ з кутовим розділенням (режим відбиття).

Рисунок 5. Зміна Косселя на місці під час зміни температури повністю полімерних зразків. а) ділянки Косселя; b) Графіки Косселя / решітка BP в залежності від температури; c) Круговий радіус центру Косселя (R) і довжина хвилі центру відбиття (λ) залежно від температури (T).

Рисунок 6. Мікроструктурні зміни та інші лазерні властивості повністю полімерних зразків під час зміни температури. а) Зміни решітки ВР при різних температурах. а1) решітка BPI, стягнута вздовж (110); а2) майже незмінна решітка BPI; а3) прискорене розширення кристалів BPI уздовж (110); б) лазерне випромінювання в трьох ортогональних напрямках x, y і z, енергія накачування: 0.205 мкДж/імпульс; c) поляризаційний тест лазера, L/RCP: ліво/право циркулярно поляризоване світло, енергія накачування: 0,205 мкДж/імпульс. енергія насоса: 0,205 мкДж/імп.