有机纳米太赫兹晶体的主动诱发生长

Terahertz (THz) wave as a radiating source has lots of advantages for it containing abundant information of materials, therefore can be widely used in the industry, agriculture, biology, medical, defense, security and so on. Organic nonlinear optical crystal DAST(4-N,N-dimethylamino-4'-N'-methyl stilbazolium tosylate)has superb THz properties in the applications of THz pulse generation or detection, and been intensively studied world widely. Because of the difficulty of the crystal growth, however, only the nonlinear optics laboratory of the Swiss Federal Institute of Technology Zurich mastered large DAST crystal growth technique at commercial grade. In this project, we propose a novel method to break this technology monopolyand barreir. We are going to develop an active induced crystallization method to grow DAST nanocrystals. Aswe all known, by decreasing the size of the crystals, the number of the defects (solution containing and lattice dislocation) can be lowered exponentially. If we can decrease the size to nano-scale, the defect-free DAST crystalscan be expected. In addition, DAST has avery broadbandwidth of 0.3-30 THz, however, the utilization of this property is limited.Because the strong absorption at14-15 THz and 19-20 THzof the crystal cuts off the continuityof theband.DASC is a derivative crystal of DAST. It has similarTHz properties but has different absorption peak in the band.By mixing DASTand DASCnanocrystals together and hybridized with optical resin, the drawback of theDAST crystalcan be suppressedthus a super hybrid material can be realized.

太赫兹波作为一种全新的、具有各种独特优点的辐射源，在工业、农业、生物、医疗、国防等各方面都将具有极其广泛地应用。有机非线性光学晶体DAST具有比传统的太赫兹材料(ZnTe等)更宽的响应范围及峰值功率,因此在世界范围内受到了广泛的重视。但是，由于DAST晶体在其生长过程中,容易出现溶液包容、晶格错位等问题，极难获得高品质的大块DAST晶体。到目前为止，仅有瑞士联邦理工学院能够掌握商品级大块DAST晶体的生长技术。为了打破这种技术垄断与壁垒，本项目拟提出一种全新的晶体生长机理，通过人工导入晶核，主动诱发DAST纳米微晶生长，通过减小晶体体积来克服上述缺点，生长出纳米尺度的高品质DAST单晶，满足太赫兹技术高速发展的重大要求。在此基础之上，本题拟将DAST纳米单晶与其衍生晶体DASC相混合，弥补其吸收缺陷，进一步制备频宽优于DAST单晶的超级复合材料。

DAST (4-N,N-dimethylamino-4'-N'-methyl stilbazolium tosylate)及其衍生物晶体有着极高的非线性光学特性。在光电效应(Electro-optic)方面的应用上，它的n3r 是 1470 pm/V (720 nm)，比LiNbO3 晶体的305 pm/V(632.8 nm)高出将近5 倍；在第二次高调波发生应用方面，它的 d2/n3 是, 8605 pm2/V2 (1542 nm), 是LiNbO3 的24 pm2/V2 (1064 nm)的300倍以上。为此，以DAST晶体为中心，其在太赫兹辐射的激发与探测，光电开关、激光倍频等多个重要科学领域有着广阔的应用前景。.通过本项目建设，开发了一种“基板支持快速蒸发结晶法（SSREC）”，实现了单纳米尺度的DAST单晶的制备，并且通过技术参数的调整，对粒度大小、分布等还能进行控制；研究发现，DAST纳米晶体有着极大的偶极距，通过静电相互吸引能使DAST纳米晶体在微观尺度下进行自组装实现有序极化。课题组利用SSREC技术成功地对DAST纳米晶体实施了自组装，制备了长度达毫米量级的DAST微/纳米带。为了进一步条自组装质量，本课题组开发了一种湿法退火工艺，通过SSREC与湿法退火工艺的结合，成功制备了具有极高晶体品质的DAST微/纳米线。通过AFM表征，纳米线的表面粗糙度达到单原子级别。此外课题组还通过二次谐波成像技术验证了DAST微/纳米线的二阶非线性。通过本项目开发的DAST纳米颗粒、纳米线在具有极高的二阶非线性的同时，又兼备了增强的荧光特性。作为一种多功能性的纳米材料，在超高速集成电光调制、可调谐纳米线激光器、超宽频太赫兹激发等多个重要方向有着巨大地应用前景。此外SSREC和湿法退火工艺，不仅适用于DAST及其衍生物微/纳米线的自组装，近期的研究表明，它还适用于有机半导体材料如二萘嵌苯等、无机半导体材料钙钛矿的纳米棒的制备。进一步拓展该方法在纳米材料上的应用，必将大大推动新一代纳米光电子器件的研制进程。.本课题还利用纳米分散技术，成功制备了多种太赫兹纳米复合材料。通过调制其散射、折射率等参数，成功制备了飞秒激光/太赫兹滤波器、宽频太赫兹增透膜、0.1-20 THz超宽频太赫兹完美吸收器等多种太赫兹功能器件。