【资讯】从薄膜到器件：MOF材料如何实现全光开关与光子二极管

2026-08-20 18:09:50

在光通信、光计算和量子信息处理领域，实现“光控光”一直是研究人员追求的目标。相比于传统电子器件中“光-电-光”的转换过程，全光器件能够直接利用光信号调控光信号，有望突破速度和能耗瓶颈。然而，寻找既具有高效非线性响应、又能实现多功能调控的材料，始终是一个挑战。

近日，暨南大学杨先光课题组与合作者在ACS Applied Materials & Interfaces上发表研究论文。他们通过液相外延（LPE）层自组装方法，成功制备了厚度仅约68 nm的Co-BTE金属有机框架（MOF）薄膜，并系统研究了其优异的三阶非线性光学性能。基于此，团队进一步将MOF薄膜分散为乙醇溶液，观察到了空间自相位调制（SSPM）和空间交叉相位调制（SXPM）现象，成功实现了“全光开关”和“光子二极管”两大功能器件。该工作为MOF材料在纳米光电器件领域的应用提供了新的路径。

研究团队首先利用Z扫描技术测量了Co-BTE MOF薄膜在不同波长激光激发下的非线性吸收系数。结果发现，该材料表现出了有趣的“波长依赖性”：当用400 nm激光照射时，材料呈现“饱和吸收”（SA）行为——光越强，吸收越弱；而当改用532 nm、635 nm或785 nm激光时，材料却转变为“反饱和吸收”（RSA）——光越强，吸收反而增强。这种可逆的SA/RSA切换，意味着单一材料可以通过改变入射光波长来“选择”自己的光学响应模式，为构建波长选择型光控器件奠定了基础。

图1 非线性光学响应表征

由于制备的MOF薄膜厚度不足70 nm，难以直接激发SSPM效应。团队巧妙地将薄膜剥离分散于乙醇中，获得了二维MOF纳米片分散液。在该分散液中，他们成功激发了空间自相位调制现象。实验表明，532 nm绿色激光仅需约25 mW的阈值功率即可产生清晰的衍射环图案，而671 nm红色激光则需要约120 mW。这一显著差异表明Co-BTE MOF对绿光具有极高的非线性灵敏度。

在此基础上，团队利用空间交叉相位调制，构建了“全光开关”：以532 nm激光作为控制光，671 nm激光作为信号光。当控制光功率超过阈值时，信号光的输出光斑从实心圆转变为清晰的衍射环，实现了光对光的有效调制。更重要的是，即使将控制光功率提高到400 mW，衍射环数量保持不变，证明热效应对非线性响应的贡献可忽略不计——这对于器件的稳定性和可靠性至关重要。

图2 全光开关演示

更进一步，研究者将Co-BTE MOF分散液与SnS2分散液串联，设计了一个“全光光子二极管”。在正向入射时，激光先通过MOF层激发非线性效应产生衍射环，再经SnS2层适度衰减后仍保持环状图案；而在反向入射时，激光先经过SnS2层被衰减至阈值以下，再到达MOF层时已无法激发任何非线性响应，输出仅为实心光斑。这种”非互易传输”特性，正是光子二极管的核心功能。该设计展示了MOF材料在集成光子回路中作为单向光传输元件的巨大潜力。

图3光子二极管演示

该工作报道了Co-BTE MOF薄膜的波长可调三阶非线性光学特性，并成功将其应用于全光开关和光子二极管。从材料合成、性能表征到器件演示，研究团队提供了一条完整的“材料-器件”转化路径。未来，通过优化MOF薄膜的生长工艺和器件集成方案，这类材料有望在片上光互连、全光逻辑门和量子光学芯片中发挥重要作用。

参考文献： 中国光学期刊网

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