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近日，我?；瘜W(xué)化工學(xué)院青年教師劉鋒鋼，在5G通訊材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于英國皇家化學(xué)會(huì)旗艦刊物Chemical Science，所研究的有機(jī)電光材料具備實(shí)用化的前景。

圖1二元交聯(lián)材料極化和器件制作示意圖

1 研究背景

近年來，人們?cè)诰幼?、工作、休閑和交通等各種不同場景的多樣化業(yè)務(wù)需求推動(dòng)著新一輪的光子革命。其中，以5G無線通訊為主，對(duì)于信息高速傳輸?shù)男枨笠呀?jīng)滲透到大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程醫(yī)療及自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域，使信息突破時(shí)空限制進(jìn)行智能互聯(lián)。而光子作為載體的信息處理傳輸材料可以很好的解決傳輸速率慢的問題，因此制備出高速、低耗能和易于工業(yè)化生產(chǎn)的電光材料，從而實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)中心光互連，成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界亟待解決的關(guān)鍵問題。

在傳統(tǒng)的商業(yè)化電光材料的研究中，主要是以無機(jī)材料鈮酸鋰作為代表。傳統(tǒng)鈮酸鋰材料所制成的電光調(diào)制器的信號(hào)質(zhì)量、帶寬、半波電壓、插入損耗等關(guān)鍵性能參數(shù)的提升逐漸遭遇瓶頸，電光系數(shù)低，晶體生長、加工困難、體積龐大且與CMOS工藝不兼容等。與無機(jī)材料和電子為載體的微電子材料相比，光子為載體的有機(jī)二階非線性電光材料具有電光系數(shù)高、光學(xué)損傷閾值高、響應(yīng)速度快、制備過程更易于生產(chǎn)，具有良好的熱穩(wěn)定性、成本低以及選擇范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，并能易與半導(dǎo)體微電子器件實(shí)現(xiàn)集成，故而有很大的應(yīng)用前景。而有機(jī)非線性光學(xué)材料運(yùn)用到商業(yè)化的電光調(diào)制器等領(lǐng)域也面臨著技術(shù)瓶頸（難以滿足Telecordia GR-468-CORE standards標(biāo)準(zhǔn)），如何獲得兼具大的電光系數(shù)（r₃₃值）、光熱穩(wěn)定性、極化取向穩(wěn)定性的有機(jī)電光發(fā)色團(tuán)仍然是行業(yè)的難點(diǎn)。

圖2電光材料QLD1-QLD4的分子結(jié)構(gòu)

2 研究內(nèi)容

針對(duì)這一難點(diǎn)，劉鋒鋼博士首次提出了二元交聯(lián)材料的解決方案：將可以交聯(lián)的蒽和丙烯酸酯基團(tuán)修飾到發(fā)色團(tuán)QLD1-QLD4的電子給體和電子橋上，發(fā)色團(tuán)在電場的作用下發(fā)色極化取向，溫度進(jìn)一步升高，交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生，以網(wǎng)狀聚合物的形式固定住已經(jīng)取向的發(fā)色團(tuán)分子，光熱穩(wěn)定性大幅提升。此外，由于沒有小分子/聚合物交聯(lián)劑的存在，發(fā)色團(tuán)含量高達(dá)100wt%,電光系數(shù)大幅提升。

交聯(lián)后，QLD1/QLD2和QLD2/QLD4薄膜的電光活性非常高，r₃₃的最大值分別為327pm/V和373 pm/V，這是目前文獻(xiàn)報(bào)告的最高值。經(jīng)Diels-Alder反應(yīng)后，其電光薄膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從~90°C增加至185°C，這高于任何其他純發(fā)色團(tuán)膜。在85℃高溫下放置500h，電光薄膜QLD1/QLD2仍然可以保持r₃₃初始值的99.63%以上。這些材料具有超高的電光活性和長期極化取向穩(wěn)定性，為有機(jī)電光材料的器件化和商業(yè)化提供了可能。

3 相關(guān)研究

論文第一作者為碩士生曾紫瑩，化學(xué)化工學(xué)院青年教師劉鋒鋼和華為技術(shù)有限公司劉建華高級(jí)工程師為論文的共同通訊作者，廣州大學(xué)為第一通訊單位。該研究工作得到了國家自然學(xué)基金﹑華為技術(shù)有限公司橫向項(xiàng)目﹑廣州市市校（院）聯(lián)合資助項(xiàng)目等的項(xiàng)目支持。

劉鋒鋼博士簡介：劉鋒鋼博士長期致力于有機(jī)電光材料的研究，2017年入職廣大加入王家海教授團(tuán)隊(duì)，以一作/通訊作者身份，在知名國際期刊發(fā)表SCI論文30余篇，他引1500余次，H指數(shù)24。主持了國家自然科學(xué)基金、華為技術(shù)有限公司橫向以及廣州市科技計(jì)劃等近400萬元經(jīng)費(fèi)的項(xiàng)目。

論文來源

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc05231h