科研進展簡報

用于非易失性可擦寫光存儲器的近紅外熒光分子開關

來源:武漢光電國家研究中心    作者:    發布時間:2019年07月15日    浏覽:680次

無損讀出是光存儲器不可或缺的性能要求之一。二芳基乙烯(DTE)熒光分子開關在紫外/可見光的交替照射下能夠可逆地在熒光亮态(開環态異構體)和暗态(閉環态異構體)之間相互轉變,相當于可光控的分子尺度數字開關,憑借着優異的熱穩定性和抗疲勞性,在高密度光信息存儲方面具有廣泛的應用前景。常規DTE可見光熒光分子開關的熒光激發波長要麼會參與開環異構化反應,要麼能夠參與閉環異構化反應;同時暗态時熒光猝滅主要采用的是分子内能量轉移機理(ET),它們所帶來的問題是熒光讀出波長會參與光緻變色反應,也就意味着熒光信号讀出是有損的。為解決這一科學難題近年來科學家們提出了一種基于分子内光誘導電荷轉移(PET)猝滅熒光的機制以實現無損讀出該無損讀出機制要求熒光激發光波長遠大于DTE的寫入/擦除波長,同時光緻變色DTE單元和熒光基團的氧化還原電位相匹配以發生高效PET盡管少數工作實現了二芳基乙烯熒光的無損讀出,但現有的二芳基乙烯分子體系的熒光開關效果差(開關對比度通常小于10 : 1,開關時間尺度為數十分鐘)、穩定性差且強烈依賴于溶劑極性等缺陷,嚴重地制約了在光存儲中的實際應用。


鑒于此,華中科技大學武漢光電國家研究中心朱明強教授/李沖講師課題組在前期工作基礎上(超級熒光分子開關,Nat. Commun. 2014, 5: 5709),發展了一種光穩定性優異高亮度熒光的近紅外三萘嵌二苯二酰亞胺(TDI染料(Chem. Commun. 2016, 52, 5808-5811),設計合成了一種四個光緻變色DTE單元通過氧橋鍵灣位取代單個TDI的近紅外熒光分子開關TDI-4DTE (如圖1所示,Chem. – Eur. J. 2018, 24, 16251-16256)。TDI具有遠長于DTE閉環态異構體的近紅外吸收波長TDI和DTE之間氧化還原電位匹配使得僅閉環态DTE才能發生高效的PET熒光猝滅過程。因此,能夠選擇一個特定的波長作為熒光讀出光來激發TDI核,并不引起DTE的任何光異構化反應,從而實現熒光的無損讀出。此外,TDI-4DTE中每個DTE單元都可以獨立有效地開關,以緻于經充分紫外光照後所有DTE單元處于開态的概率非常小TDI-4DTE分子中隻要有一個DTE閉環,熒光即會猝滅, 每個DTE關環的概率是94.3%)因而TDI-4DTE展示出超高的熒光開/關對比度 (大于3000 : 1)

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1  近紅外熒光分子開關TDI-4DTE的熒光開關過程示意圖


作為一種信息存儲材料,聚合物膜中TDI-4DTE分子的熒光可以在紅光621 nm下寫入,紫外光305 nm下擦除,近紅外光720 nm激發下讀出熒光信号三種波長的功能相互分立、不串擾,實現了存儲器的無損熒光讀出750-850 nm2所示TDI-4DTEPMA膜在750 nm處熒光強度的變化和其在三色光照射下熒光圖像的變化,演示可擦光存儲行為和熒光無損讀出能力。在302 nm照射下,TDI-4DTE的熒光強度在幾秒内迅速下降,并達到非熒光的暗态;再用621 nm光照射,熒光強度逐漸恢複。各狀态下使用720 nm連續激發750 nm熒光強度始終保持不變,證明了無損讀出的特性TDI-4DTE的兩種異構體是雙穩态,其熒光/非熒光兩種狀态分别對應于二進制1”和 “0”代碼,即使撤除光照或長時間放置原有信息不會丢失,其光信息記錄是非易失性的,并且展現出良好的循環可逆性可重寫性TDI-4DTE獨特而優異的光學性能使其超高密度可擦寫非易失性的光學分子存儲器中具有良好的應用前景。

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圖2  基于TDI-4DTE聚合物膜的非易失性可擦寫無損讀出光存儲模型.  a) 開環态異構體(TDI-4DTE-O)和閉環态異構體(TDI-4DTE-C)使用621 nm光照時熒光強度的變化,該熒光信号讀出過程為有損的。b) 開環态異構體(TDI-4DTE-O)和閉環态異構體(TDI-4DTE-C)使用720 nm光照時熒光強度的變化,該熒光信号讀出過程為無損的。c) 熒光強度和 d-e)熒光圖像的變化演示了其可擦寫光存儲行為和近紅外熒光無損讀出能力,其中寫入波長λc→o = 621 nm,擦除波長λo→c = 302 nm和讀出波長λex = 720 nm。

該工作近期在線發表在ACS Applied Materials & Interfaces上,武漢光電國家研究中心能源光電子功能實驗室朱明強教授和李沖講師為論文的通訊作者,博士生謝諾華為論文第一作者。該工作得到了973計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費湖北省自然科學基金等的支持。


原文鍊接:http://eb8mv.juhua777476.cn

原文标題:Deciphering Erasing/Writing/Reading of Near-Infrared Fluorophore for Nonvolatile Optical Memory