中国科学院福建物质结构研究所徐刚、王观娥，华中科技大学谷洪刚Angew：具有大双折射的有机金属硫属化合物薄膜。论文信息

　　 研究背景

　　 随着集成光学的发展，双折射材料迫切需要从块状晶体转向薄膜形式。然而，传统双折射材料从块状晶体转换为薄膜时性能大幅衰减，其光学各向异性通常仅能保留块状晶体的20%左右，这严重制约了薄膜在集成光子器件中的应用。二维范德华材料因面内/面外结构差异大，被视为高双折射材料的潜在候选。其中，有机金属硫属化合物（OMCs）兼具强各向异性和溶液加工性，有望用于制备高质量的双折射薄膜。

　　 文章概述

　　 中国科学院福建物质结构研究所徐刚团队联合华中科技大学谷洪刚团队报道了一种基于有机金属硫属化合物-PbHBT的高性能双折射薄膜。通过设计具有周期性的分子尺度无机-有机杂化超晶格结构，利用其结构各向异性实现了高双折射。借助其溶液加工性能，成功制备出高质量的双折射薄膜。

　　 研究人员采用原位逐层旋涂液相外延策略，成功制备出大面积、取向的PbHBT双折射薄膜。该薄膜在可见光区实现了高达0.65的双折射，在近红外区达到0.43，创造了双折射薄膜的新纪录，且性能远超商用晶体材料，其光学各向异性保留块状晶体的77%。这种优异的双折射性能源于PbHBT不同晶面电子云密度的各向异性，以及器件制成薄膜后晶粒取向的高度一致性。这项研究开辟了有机金属硫属化合物作为高性能双折射薄膜材料的新方向。该成果为开发新一代光电集成器件、柔性光电子学和片上偏振控制器件中的高性能双折射薄膜材料具有重要指导意义。

　　 图文导读

　　 图1. 晶体结构和双折射性能表征。(a) [PbS6]八面体的结构单元；(b) 无机层；(c) PbHBT的堆积结构；(d) PXRD图；(e) PbHBT的FT-IR光谱；(f) PbHBT的UV-Vis漫反射光谱；(g) 偏光显微镜示意图；(h) PbHBT单晶在正交偏振显微镜下随旋转角度变化的光学图像；(i) 使用Berek补偿器在完全消光条件下观察到的PbHBT晶体。

　　 图2. 薄膜合成策略和表征。(a) 基于原位逐层旋涂液相外延法制备PbHBT薄膜的示意图。(b) 采用原位逐层旋涂液相外延法制备的PbHBT-xC（x = 10、20、30）薄膜的SEM图；比例尺：2 μm。插图为PbHBT-xC薄膜的AFM图。(c) PbHBT-xC薄膜的厚度随生长周期变化的关系图。(d) PbHBT-30C薄膜的SEM截面图显示为40 nm厚度的连续、均匀薄膜；比例尺：500 nm；插图为放大图。(e) PbHBT-30C薄膜的截面HAADF-STEM图（比例尺：100 nm）；插图为HR-TEM图。(f) PbHBT-xC（x = 10、20、30）薄膜的XRD图。(g) PbHBT薄膜的面内与面外XRD图表明薄膜是取向生长的。

　　 图3. 薄膜双折射性能表征和性能对比。PbHBT-20C薄膜（厚度为25 nm）的介电函数和光学各向异性。(a) 穆勒矩阵光谱椭偏仪的工作原理。θ代表入射角。穆勒矩阵通过双旋转补偿器获得。(b) PbHBT薄膜在寻常光和非寻常光方向上的介电函数实部及虚部。(c) PbHBT薄膜在寻常光和非寻常光方向上的实验测得折射率与消光系数。(d) PbHBT薄膜的实验双折射与二色性。(e) 薄膜相对于块状晶体双折射的保留程度。(f) PbHBT薄膜与多种双折射薄膜以及商用双折射晶体的双折射性能对比。

　　 图4. 光学性质理论计算和电子结构。(a) 基于第一性原理计算得到的PbHBT沿100、010和001方向的折射率（001代表面外方向；100与010代表面内方向），直观展示其光学各向异性；(b) 通过第一性原理计算得到的PbHBT的双折射与二色性；(c) 通过理论计算获得的PbHBT电子能带结构；(d) PbHBT的部分态密度（PDOS）分布；二维电子局域函数 (ELF)图：(e) 沿平行于PbS层的(001)晶面切割的Pb原子截面图和(f) 沿垂直于PbS层的(010)晶面切割的Pb原子截面图，揭示了不同晶面电子云密度的各向异性。

　　 期刊介绍

　　 Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。

　　
来源：Angewandte Chemie