通过掺杂手性分子的手性液晶，实现卤化物钙钛矿中放大自发辐射的手性切换

《ACS Energy Letters》：Chirality Switching of Amplified Spontaneous Emission in Halide Perovskites via Motor-Doped Chiral Liquid Crystals

高分辨率紫外光调控下，基于胆固醇液晶（CLC）光响应层与卤化铅锡（OIHP）多晶薄膜的垂直器件结构，实现了圆偏振放大自发辐射（CP-ASE）的手性反转与动态调控。通过分子马达的顺反异构化改变CLC层螺距方向，在紫外辐照下连续可调偏振消光比g_lum从-1.38到+1.22，并实现绿至近红外波段多色CP-ASE输出。器件采用PET隔离层保护增益介质，结合光子带隙（PBG）波长微调技术，在维持低阈值（1.91 μJ/cm2）和高结晶性OIHP薄膜的基础上，成功构建了具有环境稳定性和长时工作可靠性的可重构圆偏振光源。

　　近年来，圆偏振（CP）相干光源在先进光子学领域扮演着至关重要的角色，其独特的性质使其成为手性传感、自旋光电子学以及量子通信等应用的有力工具。然而，实现这种光源的动态且可逆地控制其手性仍然是一个具有挑战性的课题。为此，研究人员提出了一种创新性的解决方案，通过将光响应性胆甾相液晶（CLC）调制层与有机-无机杂化钙钛矿增益介质相结合，成功构建出一种具有可逆手性翻转功能的圆偏振光源。这一成果不仅拓展了光子学材料的可调性，还为开发具有高灵活性和可配置性的手性激光器件提供了新的可能性。

该研究的核心在于利用CLC的光响应特性，实现对钙钛矿增益介质发射光的圆偏振态的动态调控。CLC是一种具有螺旋结构的液晶材料，其光子带隙（PBG）能够选择性地反射与自身手性一致的圆偏振光（CPL）。通过引入光响应性分子马达作为CLC的掺杂剂，研究团队能够在外部紫外（UV）照射下实现CLC手性方向的可逆翻转。分子马达在UV照射下发生顺式-反式异构化，从而改变CLC的螺旋周期和手性方向。这一过程使得CLC的PBG能够随着UV功率的变化而动态调整，进而实现对钙钛矿增益介质发射光的圆偏振态的精确控制。

实验中，研究团队采用了一种垂直堆叠的器件结构，将CLC调制层与钙钛矿增益层结合。在UV照射下，CLC的PBG从最初的紫色区域逐渐向红色区域偏移，最终在绿色区域稳定。这一过程伴随着CLC手性方向的翻转，从左旋变为右旋，或者相反。在低UV功率下，CLC的PBG与钙钛矿的自发辐射发射（ASE）波长重合，使得发射光呈现右旋圆偏振态（RCP）。随着UV功率的增加，PBG进一步向蓝移方向移动，使得发射光变为左旋圆偏振态（LCP）。这种可逆的手性翻转不仅实现了对发射光偏振态的动态调控，还展示了该系统在不同UV功率下的高稳定性和重复性。

为了验证这一机制，研究团队采用了一种双检测光学配置，利用偏振分束器（PBS）同时分离入射的圆偏振光为水平和垂直分量，分别对应于LCP和RCP。通过固定线性偏振器的角度，研究团队能够实时监测不同偏振态的光强度变化，并通过数据分析确认了手性翻转的过程。此外，研究团队还通过时间分辨测量和光谱演化分析，揭示了在高UV功率下的动态变化趋势。初始阶段，随着PBG的红移，圆偏振发射强度逐渐增强，达到最大值后，随着PBG的蓝移，发射强度再次发生变化，最终稳定在新的偏振态。这一过程展示了该系统的高响应性和可重复性。

为了进一步拓展该系统的应用范围，研究团队还探索了通过更换增益层材料来实现多色圆偏振发射的潜力。他们利用一种称为“剥离”（peel-off）的方法，将不同卤化物组成的钙钛矿薄膜（如MAPbCl₃、MAPbBr₃和MAPbI₃）作为增益介质。通过调整UV照射功率，研究团队能够精确控制CLC的PBG位置，使其与不同卤化物钙钛矿的ASE波长匹配，从而实现从绿色到近红外波段的宽谱圆偏振发射。这种模块化设计不仅提升了系统的灵活性，还确保了其在多种应用场景下的兼容性。

此外，研究团队还对比了该系统与其他手性调控平台（如超分子自组装、手性配体调控和光子晶体系统）的性能差异。与以往仅能实现二元切换的系统不同，他们的方法能够通过简单的UV功率调节，实现对圆偏振度（g_lum）的连续且可逆调控，覆盖了从-1.38到+1.22的宽范围。这一特性不仅显著提高了系统的功能性，还为下一代可配置的偏振激光器和手性光子学器件的发展奠定了基础。

在实际应用中，这种可逆手性调控的圆偏振光源展现出诸多优势。首先，其结构简单，易于集成，适合用于柔性光子器件和可穿戴设备等新兴领域。其次，由于钙钛矿材料的高光增益特性和低阈值特性，该光源能够在较低的激发功率下实现高效的圆偏振发射。此外，通过优化CLC调制层的厚度和分子马达的浓度，研究团队还能够有效防止UV光对钙钛矿增益层的干扰，确保其稳定性和长期性能。这种设计不仅提高了光源的可靠性，还为实际工程应用提供了可行的方案。

研究团队还对系统的稳定性进行了深入测试。在连续UV照射和激光激发的条件下，钙钛矿-CLC复合器件表现出良好的光稳定性，其发射强度未出现明显衰减。这表明，该系统在实际使用中具有较长的使用寿命和较高的耐久性。同时，通过热退化过程的分析，研究团队确认了分子马达在UV照射结束后能够自发恢复至初始状态，从而实现手性状态的可逆切换。这种特性对于需要频繁切换偏振态的应用场景尤为重要，例如在光通信和量子信息处理中，实时调整偏振态的能力可以显著提升系统的性能和适应性。

为了进一步拓展该系统的应用潜力，研究团队还探讨了其在多色手性光子学中的应用。通过更换不同卤化物组成的钙钛矿增益层，他们成功实现了从绿色到近红外波段的宽谱圆偏振发射。这种多色调控能力使得该系统能够满足多种光子学应用的需求，包括彩色显示、光谱分析和光通信等。此外，由于CLC调制层具有宽泛的光谱响应范围，该系统能够在不同波长下保持良好的偏振调控性能，为开发多功能光子器件提供了新的思路。

综上所述，这项研究为实现动态、可逆的手性圆偏振光源提供了一种创新的解决方案。通过将光响应性分子马达掺杂到CLC中，并将其与钙钛矿增益介质相结合，研究团队成功构建出一种具有广泛适用性和高度灵活性的光子学平台。该系统不仅能够实现对圆偏振度的精确控制，还能够在不同波长下保持稳定的偏振态，展现出卓越的性能和应用潜力。未来，随着对钙钛矿材料和CLC调制层的进一步优化，这一技术有望在更广泛的光子学领域得到应用，为手性光子学的发展开辟新的方向。