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金属有機フレームワーク材料の合理的分子設計による超低閾値レーザー作用の発見
Intrinsic Ultra-low Threshold Laser Action from Rationally Molecular Design of Metal-Organic Frameworks Materials.
PMID: 32678568 DOI: 10.1021/acsami.0c07890.
抄録
金属-有機フレームワーク（MOF）は、その調整可能な生理化学的特性と魅力的な構造のため、薬物送達、センシング、ガス貯蔵などの複数のアプリケーションに優れています。しかし、多孔質構造や導電性の問題から、MOFを用いた光エレクトロニクスの実現は困難である。最近では、MOFと他の材料を適切に組み合わせて集積化した光電子デバイスはほとんど作製されていません。しかし、MOFの多孔質骨格に発光性有機レーザー色素を封入してレーザー作用を実現する研究もありますが、本質的な利得媒体としてのMOFから生じるレーザー作用を実証することは未だ夢のようなことです。しかし、このような不安定なレーザー色素が凝集してしまうと、フォトルミネッセンスの消光やエネルギー損失が発生し、実用化には限界があります。本研究では、MOF合成時の金属ノードと有機リンカーの選択により、これまでにない超低閾値（〜１３nJcm-2）のMOFのレーザー作用を実証しました。また、有機リンカーの美しいマイクロフローからの白色ランダムレーザーが多孔質ネットワークを持つことを実証し、MOF合成に利用されていることを明らかにしました。発光性の高い広帯域有機リンカー1,4NDCは、それ自体が強い白色ランダムレーザーを示すため、MOF中の刺激発光を実現するだけでなく、レーシング閾値を下げるためにも利用されています。このような白色レーザーは、バイオイメージングから最近開発された汎用性の高いLi-Fi技術まで、複数の応用が考えられます。さらに、MOF微結晶の滑らかなファセットが、光安定性に優れたファブリーペロー共振空洞として振る舞えることを示しました。このような安定で毒性のない高性能なMOFレーザー作用のユニークな発見は、新しい光電子デバイスの開発に新たな道を開くものと期待されています。
Metal-organic frameworks (MOFs) are superior for multiple applications including drug delivery, sensing, and gas storage because of their tunable physiochemical properties and fascinating architectures. Optoelectronics appliance of MOFs is difficult because of porous geometry and conductivity issues. Recently, few optoelectronic devices have been fabricated by suitable design of integrating MOFs with other materials. However, demonstration of laser action arising from MOFs as intrinsic gain media still remains a dream, even though some researches endeavor on encapsulating luminescence organic laser dyes into the porous skeleton of MOFs to achieve laser action. Unfortunately, the aggregation of such unstable laser dyes causes photoluminescence quenching and energy loss, which limits their practical application. In this research, unprecedently, we demonstrated ultra-low threshold (~ 13 nJcm-2) MOFs laser action by judicious choice of metal nodes and organic linkers during synthesis of MOFs. Importantly, we also demonstrated the white random lasing from the beautiful micro-flowers of organic linkers possesses porous network, which is utilized to synthesize the MOFs. The highly luminescent broadband organic linker 1,4 NDC, which itself exhibits a strong white random laser, is used not only to achieve the stimulated emission in MOFs but also to reduce the lasing threshold. Such white lasing has multiple applications from bioimaging to recently developed versatile Li-Fi technology. In addition, we showed that the smooth facets of MOFs microcrystals can behave Fabry-Perot resonant cavities having a high quality factor of ~ 103 with excellent photostability. Our unique discovery of stable, non-toxic, high-performance MOF laser action will open up a new route for the development of new optoelectronic devices.