金纳米结构对偶氮苯分子光致异构量子效率的调控

偶氮苯分子在特定波长光照下会发生反式异构体和顺式异构体之间的光致异构，由此导致材料一系列重要性能的变化，并在可擦写光盘、三维全息记录、液晶定向、单分子开关、灵巧表面、单分子马达等方面已经或将产生重要的应用。光致异构量子效率是表征异构过程的重要参数。近年来的研究预示异构量子效率并不象想象那样是不可改变的分子内禀特性，而是可人工调控。本项目提出利用金纳米结构的局域等离子体共振调控光致异构量子效率，希望通过一系列相互关联的实验研究，最终能对金属纳米结构调控光致异构效率给出定量的描述，并用1-2个例子展示这样的调控对光致异构效应之应用的重要作用。将研究金纳米结构材料（金纳米颗粒，金团簇，金薄膜等）对偶氮苯分子光致异构效率的调控，在近场和微区对不同金属团簇图形影响光致异构效率进行研究，还将研究金属-偶氮苯复合结构在增强液晶光致定向、提升光学非线性效应方面的作用。研究结果对光致异构的应用有重大意义。

金纳米颗粒是具有局域表面等离激元共振特性的金属纳米颗粒。当一束共振波长附近的线偏振激光激发起局域表面等离激元共振时会产生一个增强的局域电磁场，强度是入射电磁场强度的十倍甚至更高。利用这个效应已经在拉曼光谱、生物传感等方面大显身手。偶氮分子是一类具有氮氮双键的有机染料分子，其特性是在电磁场或者热激发下异构，由能量较低的反式异构体异构为能量较高的顺式异构体，利用这个特性在光开关、光存储等领域有广泛的应用，但通常情况下其异构的效率并不高。本项目旨在通过利用金纳米颗粒的局域场增强效应，有效调控偶氮分子的异构效率，对影响异构效率的因素进行系统性的研究，并进一步推广金纳米颗粒局域场增强效应在液晶取向、非线性光学响应等方面的应用研究。.本项目的主要成果是：.1. 采用化学合成和溅射获得的连续金纳米颗粒膜，分别获得抑制的和增强的偶氮染料异构效率。结果显示：在溅射金膜上的偶氮分子层，量子效率可提高近一倍。而在自组装金膜上的偶氮分子层光致异构量子效率下降。通过表面增强拉曼散射和荧光淬灭实验验证，表明在溅射金膜上来自局域表面等离子激元振荡的局域场增强明显强于自组装金膜，而其对偶氮分子激发态的淬灭效应又低于自组装金膜。我们进而对不同颗粒密度自组装金膜对偶氮分子光致异构量子效率影响进行了定量分析，分离出局域场增强和激发态淬灭效应，为系统了解金纳米颗粒对分子激发态的影响提供了重要参数。.2. 发现金纳米颗粒局域场增强可有效降低液晶分子锚定能，降低液晶光致取向功率，并实现弱光全光开关。利用金纳米颗粒的局域场增强效应，将其附着于液晶盒基板上，在光照的情况下，液晶锚定层与基板之间的锚定能被有效降低，而无光照时，其锚定能与一般液晶盒无差别。锚定能在光照下可降低近1个数量级以上，导致分子转动所需的光功率降低近2个数量级。这种光控调节锚定能的方法，突破了锚定能是液晶体系与基板之间的固定性质的传统认识。锚定能在光照下下降，同时带来液晶响应速度明显缩短。为制备更低功耗的液晶器件提供了有益的思路。我们还完成了高浓度金纳米颗粒掺杂液晶的制备，同样获得增强的光致取向效应。在金属纳米粒子/偶氮掺杂液晶光微流微瓶复合腔中实现低至0.25 mW/mm2开关功率的全光开关。.本项目执行期间在Physical Review Letters等国际期刊发表学术论文11篇，在2013年国际液晶光学会议等国际会议作邀请 报告10次。