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光波导是实现光电集成和光子集成的关键。近日，安徽大学先进材料原子工程研究中心朱满洲教授、陈爽副教授科研团队发现金属纳米团簇中的光波导行为。这是在金属纳米团簇材料中发现的重要光传播新现象，填补了纳米团簇光子性质研究的空白，丰富了有源光波导和偏振发光材料的研究，是材料科学前沿的重要研究成果。相关成果日前发表于《科学》。据悉，该论文是安徽大学首次以第一完成单位在《科学》正刊上发表的科研论文。

图为金属纳米团簇光波导安徽大学供图

研究团队发现，配体保护的两种金属团簇材料具有优异的光波导性能，光损耗系数低于大多数无机、有机和杂化材料，研制的两种金属团簇的晶体排列和分子取向导致了其极高的极化比，为有源波导和极化材料家族提供了新成员。这在未来信息储存、集成光学等领域具有潜在应用前景。

光波导具有抗干扰能力强、保真度高等特点，其广泛应用于光电调制器、光子耦合器、光子电路等领域。在有源光波导系统中可以利用分子偶极矩取向影响光子传输方向形成偏振光波导。目前，多种光子纳米结构被开发用作光波导材料，但它们仍然存在着光学损耗高和制造工艺复杂等问题。而配体保护的金属纳米团簇具有原子精确的结构、良好的光学性质和较大的斯托克斯位移，这些特点使其非常适合用于光电器件，并且团簇的光学性质可以通过金属掺杂、配体调控、价态调整等手段进行调控。因此，金属纳米团簇非常适合用作光波导材料并探索其结构与性质之间的联系。

此次研究中，研究人员设计并合成具有橙色和红色发光的Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x纳米团簇，两种纳米团簇的晶体都表现出优异的光波导性能，它们的光损耗系数低于大多数有机、无机以及杂化材料。并且，这种光波导性质在金属纳米团簇中具有一定的普适性，研究团队在AuCu₁₄、Au₄Cu₆、Pt₁Ag₃₇等纳米团簇中都发现了这种现象。由于纳米团簇间的多种弱相互作用，纳米团簇晶体表现出一定程度的柔韧性，弯曲和分支状态的晶体仍然具有明显的光波导行为。由于Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x纳米团簇的晶体结构和堆积方式的差异，它们在光波导过程中表现出了不同的偏振发光。Pt₁Ag₁₈和Au_xAg_19-x表现出聚集诱导发射增强的性质，这使得它们的晶体能表现出更强的光致发光。

光波导材料是光学器件和光学系统中的关键组成部分，在光通信、光学传感和光学计算等领域发挥着重要的作用。研究人员介绍，金属纳米团簇光波导行为的发现为开发配体保护的金属纳米团簇作为活性光波导材料提供了理论基础和应用前景，为构建基于团簇的小型化集成纳米光子器件提供了支持。