石墨烯纳米带模板调控分子聚集体实现偏振依赖的强光-物质相互作用

这篇研究展示了利用石墨烯纳米带（7-AGNRs）作为模板定向排列聚氰胺分子（HB238），在平面微腔中实现了偏振依赖的强光-物质耦合（strong light-matter coupling）。通过分子模板技术，研究者获得了具有双轴晶体光学特性的有序分子层，显著提高了拉比能量（Rabi-energy），并揭示了模板化减少分子无序性对增强耦合强度的作用。多振子模型（multi-oscillator model）和光致发光显微光谱（photoluminescence microspectroscopy）进一步证实了系统的空间均匀性，为调控有机半导体光电器件性能提供了新思路。

　　

1 引言

近年来，有机材料在平面微腔中的光-物质相互作用成为研究热点。聚氰胺分子（HB238）的J-聚集体因其窄带吸收特性，成为实现强耦合（strong-coupling regime）的理想体系。然而，有机半导体通常存在静态或动态无序性，导致光谱展宽和偏振各向同性，限制了极化激元（polariton）的相干性和应用潜力。本研究提出通过石墨烯纳米带（7-AGNRs）模板技术，构建具有双轴晶体特性的有序分子层，为调控光-物质相互作用提供新途径。

2 结果与讨论

2.1 模板化薄膜

通过物理气相沉积（PVD）在7-AGNRs模板上制备的HB238薄膜表现出显著的光学各向异性。偏振分辨消光光谱显示，J-跃迁（1.65 eV）的跃迁偶极矩（TDM）沿纳米带方向排列，其消光比达到5:1（图1b）。原子力显微镜（AFM）和偏振光致发光成像证实了分子沿模板的定向排列（图1d-e）。值得注意的是，H-跃迁（2.53 eV）的TDM垂直于基底，仅在p偏振光斜入射时被激发，符合Davydov分裂理论预测的能级结构。

2.2 强耦合模板化薄膜

将模板化薄膜嵌入微腔后，反射光谱显示出明显的偏振依赖特性（图2）。当纳米带方向（?=0）与s偏振光电场平行时，J-跃迁与腔模产生299 meV的拉比分裂；而p偏振光则选择性地与H-跃迁耦合（190 meV）。这种"光学开关"效应源于模板诱导的TDM定向排列。对比非模板化样品，拉比能量提升显著，表明分子有序性对增强耦合强度的关键作用。

2.3 微腔内分子有序性探测

通过45°样品取向（?=π/4）下的角分辨光致发光谱（图3c），发现两个下极化激元分支（lower polariton）均能发光，且强度相近。激光扫描荧光显微成像显示，沿纳米带方向的发射强度更高，但存在局部晶畴引起的"热点"（图3a）。值得注意的是，微腔耦合显著降低了发射不均匀性，暗示光子模式对激子扩散的调控作用。

2.4 激子态对极化激元能带的影响

多振子模型分析揭示了模板化对能级结构的重塑（图4）。尽管模板化薄膜的消光光谱需要更多洛伦兹振子拟合（反映缺陷态增多），但微腔耦合主要集中于单个主导极化激元。这表明模板化将体系分为两个群体：高度有序的模板主导区域和包含单体/缺陷的无序区域。有趣的是，这与Spano理论预测一致——微腔耦合可增加J-聚集体的相干长度。

3 结论

该研究开创性地将分子模板技术引入强光-物质相互作用研究。7-AGNRs模板不仅实现了HB238分子的定向排列，还通过减少无序性显著增强了拉比能量（达299 meV）。偏振依赖的耦合特性为光学调控提供了新维度，而多振子模型揭示的能级重构现象，为理解有序-无序混合体系的极化激元物理提供了新视角。这项技术有望拓展至其他有机半导体体系，在偏振敏感的光子器件和量子信息处理中具有应用潜力。

4 实验方法

研究采用真空热蒸发法制备银/二氧化硅微腔，通过气泡转移技术（bubble transfer）将Au(788)基底上生长的7-AGNRs模板转移至OTPD交联层。HB238在72°C基底温度下以0.03 ?/s速率沉积，形成约17 nm薄膜。光学表征结合了角分辨反射谱、共聚焦荧光显微术（405 nm激发）和有限元模拟（COMSOL）。多振子模型采用70个等间距洛伦兹振子拟合消光光谱，并通过哈密顿矩阵对角化求解极化激元能级。