ZJU-68晶體的單軸同質外延生長示意圖。有機橋聯配體H 2 CPQC沿晶軸方向提供更高的螯合位點密度，並且軸向和徑向螯合位點密度的顯著差異使得晶體傾向于在具有較少H +的生長溶液中沿軸向外延生長。另外，基板的引入防止了附著在基板上的ZJU-68晶體的一個端面與構架元件接觸；因此，晶體的外延生長具有單向性，最終獲得了單軸同質外延生長（UHG）的ZJU-68晶體。
包含從可見光到近紅外的輸出範圍的多色單模偏振微激光在光子集成和多峰化學傳感或成像應用中具有重要的應用。但是，在實踐中很難實現這種裝置。在一份新報告中，Huajun He和新加坡，中國和美國的物理學，材料科學和化學研究團隊開發了具有多個段的單晶，以産生可控的單模近紅外（NIR）激光。單晶的多個片段基于與適合綠色，紅色和近紅外的染料分子雜交的金屬有機骨架（MOF）激光模擬計算。微晶中不同染料分子的分段組裝使它充當縮短的共振器，從而以較低的三色激光阈值（紅色，綠色和NIR）實現動態的多色單模激光。這些發現將爲探索利用MOF工程技術爲生物光子應用構建的單模微/納米激光器開辟一條新途徑。該作品現已發表在《自然 之光：科學與應用》上。
具有金屬有機框架（MOF）的多色單模偏振激光感測
多色單模偏振激光感測或成像是一種有前途的診斷技術，在實踐中仍有待有效開發。不同的生物組織，細胞或生物化學物質對不同波長的光具有不同的光學，熱和聲響應。結果，具有寬帶多色輸出的光源可以爲多模式或多維感測或成像提供基礎。光的偏振特性爲處理散射信號提供了機會，以獲取富含生物材料的結構信息。單模微/納激光器可以滿足小型化光子器件的必要應用；其中包括高信息准確性，避免錯誤信號以及插入不同光信號的幹擾以實現不同細胞和分子的目標感測或成像。
金屬有機骨架（MOF）是由金屬離子和有機橋聯配體組裝而成的周期性晶體材料，可提供強大的混合平台來克服多色微激光的現有挑戰。MOF的光滑且規則的晶體結構可以有效地充當光諧振器，以提供光反饋。在這項工作中，何等人。展示了基于宿主框架ZJU-68的不同染料分子的同時組裝，以實現多色單模激光發射。
寬帶多色偏振單模激光可潛在地用于多峰生物化學傳感和成像。這種獨特的激光性能融合了寬帶輸出，偏振和單模激光的優點，這些優點是通過染料組裝的同質外延分層混合MOF微晶實現的。
染料組裝的MOF的合成與表征
MOF微晶包含各種染料分子，科學家首先使用計算模擬來揭示材料的激光發射模式，以了解可能的激光發射模式機制。結果顯示了用于光子集成和生化傳感或成像的多色固態微激光器材料的新途徑。該小組控制了MOF晶體的單向生長，以在結構上組裝不同的客體材料/染料分子，並合成了染料組裝的分層雜化金屬-有機骨架。在合成過程中，首先，他們自組裝鋅離子（Zn 2+），有機連接基和染料分子以形成染料1。然後，將所得的微晶浸入新的Zn 2+反應溶液中。以及與具有不同染料分子的有機連接基形成染料2。對于第三步，他們重複第二步以獲得三色層次混合微晶染料。該團隊組合了三種不同的染料分子，分別縮寫爲DPBDM， DMASM 和MMPVP，以實現不同類型的雜化MOF單晶。除了由染料分子組裝引起的顔色變化之外，所有雜化單晶都與宿主ZJU-68骨架的純形式保持相同的六角棱柱結構。組裝的染料分別對應于淺黃色，品紅色和紫色。該團隊進行了粉末X射線衍射圖 組裝在ZJU-68分層微晶上的染料的模擬結果與模擬吻合得很好。
多色熒光和多色激光性能
UHG分層雜化ZJU-68微晶的合成與表征。（a）UHG分級染料組裝的雜化ZJU-68微晶的合成示意圖。（b–i）ZJU-68（b），ZJU-68⊃MMPVP（c），ZJU-68⊃DMASM（d），ZJU-68⊃DPBDM（e），ZJU-68⊃DMASM+ MMPVP（ f），ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM（g），ZJU-68⊃DPBDM+ MMPVP（h）和ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM + MMPVP（i）; 比例尺，10μm。j ZJU-68和分層雜化ZJU-68微晶的PXRD圖譜，表明分層雜化ZJU-68微晶具有與ZJU-68相同的骨架結構來源：光：科學與應用，doi：10.1038 / s41377-020 -00376-7
然後，研究小組比較了染料組裝的ZJU-68雜化晶體的光致發光光譜。爲此，他們使用了帶有480 nm激發濾光片組的水銀燈，並確定了綠色，紅色和近紅外發射峰。使用多通道共聚焦激光顯微鏡，He等。展示了具有三種染料的混合單晶如何與入射光和濾光片模塊組合以進行分段激發和不同顔色的熒光信號輸出。該過程防止了染料組裝過程中因聚集而引起的猝滅效應，並有助于將能量從短波長染料分子轉移到長波長染料分子，以實現高效的多波長發射輸出。
科學家在顯微鏡下進一步研究了包含三個染料分子的單個小型雜化晶體的激光特性。他們使用耦合到顯微鏡中的480 nm激光束，使用光纖光譜儀收集光致發光信號。根據結果，He等。將三色激光加工歸因于六角棱鏡晶體的回音壁模式（WGM）機制。爲了進一步了解六角腔中的激光模式機制，他們使用COMSOL Multiphysics軟件進行了光學仿真。他們指出，六個晶面的內部反射是模擬圖的WGM機制的特征。
UHG分層雜化ZJU-68微晶的熒光。（a）在390 nm激發的單個ZJU-68微晶的熒光光譜。（b–h）ZJU-68⊃MMPVP單層雜化微晶的熒光光譜（b），ZJU-68⊃DMASM（c），ZJU-68⊃DPBDM（d），ZJU-68⊃DMASM+ MMPVP（e）， ZJU-68 excitedDPBDM + DMASM（f），ZJU-68⊃DPBDM+ MMPVP（g）和ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM + MMPVP（h）在480 nm激發。插圖：不同層次雜化ZJU-68微晶的熒光顯微照片。比例尺，10μm。科學與應用，doi：10.1038 / s41377-020-00376-7
混合微晶中的掃描激光性能
該團隊可以同時激發兩個晶體段交界處的材料，以通過實驗獲得亮綠色/紅色或紅色/ NIR激光。獨特的設置允許在微納米空間中控制特定顔色或顔色組合的激光，以用于各種生物光子應用。到目前爲止，科學家們在具有明顯激光偏振的三色混合晶體中實現了三波長單模激光發射。通過對齊這些染料分子的發射躍遷，He等。獲得了顯著的發射各向異性（即熒光團發出的光具有相同的強度）。這種各向異性的多色激光結果對于生物化學傳感或成像以及光信號處理應用具有巨大的潛力。
單個ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM + MMPVP分層混合微晶（R〜1.65μm）中的單模激光。（a–c）ZJU-68⊃DPBDM（a），ZJU-68⊃DMASM（b）和ZJU-68⊃MMPVP（c）激光阈值附近的晶體段的發射光譜。插圖：在480 nm激發的ZJU-68，DPBDM（a），ZJU-68⊃DMASM（b）和ZJU-68⊃MMPVP（c）晶體片段的顯微照片，發射強度與泵浦注量的關系ZJU-68⊃DPBDM的激光阈值爲〜0.660 mJ / cm2，ZJU-68⊃DMASM的激光阈值爲〜0.610 mJ / cm2，ZJU-68⊃MMPVP的激光阈值爲〜1.72 mJ / cm2（左）。比例尺，10μm。d–f在720 nm（d），621 nm（e）和534 nm（f）模式下，六邊形腔中的模擬電場分布（電場強度的平方）。科學與應用，doi：10.1038 / s41377-020-00376-7
這樣，Huajun He及其同事在金屬有機骨架（MOF）微諧振器上的宿主-客體雜交過程中開發了不同染料分子的層次組裝。使用該平台，他們可以實現高達三波長的單模激光發射。分段組件控制了微激光器的顔色輸出，並解決了不同染料分子之間能量轉移的不利影響。三色單模激光該工藝以單片結構提供了從可見光到NIR的波長範圍。這項工作簡化了開發用于多峰生物光子應用的單模激光結構的過程。