手性超分子自组装体对圆偏振光的响应特性研究

Circularly polarized light (CPL) plays key role in many photonic technologies, including, optical communication of spin information and quantum-based optical computing and information processing. To develop these technologies to their full potential requires fast detecting the handness (left handed or right handed) of CPL. The existing detecting techniques are all based on optical technologies, the requirements of polarizers and complex processes restrict the realization of miniature, integrated detector. In this proposal we demonstrate a CPL detector based on micro-/nano-structured diketopyrrolopyrrole (DPP) derivatives with different chiral alkyl side chains. We believe that this project will help us to realize more details about the chiral self-assembly behaviors, and also opens up the possibility for the detection of the chirality of circularly polarized light in a highly integrated photonic platform.

圆偏振光在光自旋电子通信、量子光学计算和量子信息处理等领域发挥着重要作用，对圆偏振光手性（左旋或右旋）的高灵敏度检测是这些技术在走向实用过程中需要解决的首要问题。本项目从手性共轭分子的可控自组装入手，围绕构筑用于快速检测圆偏振光手性的可集成化光电探测器件展开，首先合成一系列手性烷基链修饰的吡咯并吡咯二酮（DPP）衍生物，继而通过自组装条件的调控获得具有手性超结构的自组装体，实现烷基链分子中心手性向共轭分子的超分子手性的传递，系统研究手性烷基链对其自组装行为的影响，利用手性共轭材料对圆偏振光敏感的特性构筑基于DPP衍生物手性自组装体的圆偏振光探测器件。通过该项目的开展，加深对有机共轭半导体材料手性自组装机理的认识，促进手性有机共轭半导体材料在集成化圆偏振光探测领域的应用。

具有共轭结构有机光电材料在光探测、有机光伏、有机场效应晶体管等诸多领域有广泛应用。共轭分子可以通过分子间弱相互作用力有序堆积形成晶体结构，与无序薄膜或者块体材料相比，有序晶状结构可以有效提高材料的载流子迁移率，从而提高器件性能。但是现有技术获得有序晶状结构往往局限在微观结构并且不连续，无法应用于功能器件的规模化构筑，因此制备大面积、多级次长程有序的有机共轭自组装体仍是高性能有机电子器件领域一个极大挑战。本项目围绕多种因素协同调控下的分子自组装行为以及有序自组装结构对光电器件性能的影响展开，取得了如下进展：（1）通过手性共轭分子自组装，制备了大面积多级次有序的吡咯并吡咯烷酮衍生物自组装体，以该自组装体作为活性层构筑了圆偏振光探测器，实现了对圆偏振光的特异性检测，并且发现通过增强活性层自组装体的超分子手性，可以显著提高检测灵敏度，这为高灵敏度、宽波长的圆偏振光检测开辟了一条新的途径；（2）通过多级次手性诱导自组装使聚苯胺分子有序堆积形成宏观的带状结构，该结构可以通过自驱动扭曲形成单一旋向的螺旋结构，实现了分子手性到宏观手性的传递和放大。此外这种带状结构在手性胺类化合物的刺激下表现出了独特的驱动行为，对手性仿生智能材料的研究具有重要意义；（3）通过调整缺电子端基上的烷基链实现了对小分子光伏材料在成膜过程中聚集状态的调控，阐明了该体系中端基烷基链对材料结晶性，相分离尺度以及器件性能的影响。