材料科学与工程学院窦锦虎课题组及合作者在金属有机框架中通过层间电子态解耦实现巨双折射效应取得新进展
发布时间: 2026-07-06 11:17:20
在先进偏振光学器件中，巨双折射光学晶体发挥着关键作用。大π共轭有机分子晶体因高电极化率，是构筑光学各向异性材料的理想基元。为了精准操纵这些π共轭有机分子的空间排列，科学家常引入金属节点与之配位，构筑具有本征导电性的金属有机框架。尽管其晶格内部天然富集了极具各向异性光学响应潜力的材料基因，然而导电金属有机框架为了优化电荷传输，通常追求将π配体紧密堆叠，强层间耦合使得这些π配体的光学各向异性在宏观晶体中被显著削弱。
针对固体结构中导电网络构筑与宏观光学各向异性的本征冲突，北京大学材料科学与工程学院窦锦虎课题组与上海科技大学纪清清课题组合作，反其道而行之，成功发展出一种阴离子诱导配位竞争（AICCS）策略。研究团队选用结构刚性且对称性不同的硫酸根和硝酸根阴离子，与有机配体抢占镧离子节点，通过配位竞争迫使共轭配体层发生平面内错位滑移，使相邻π配体的空间重叠面积与层间电子耦合大幅削减。这种层间电子态的有效解耦，彻底释放了平面π共轭体系的本征极化率各向异性，实现了从母体结构到设计结构双折射率超1000%的跨越式提升。相关成果以“Interlayer Electronic Decoupling Unlocks Giant Birefringence in π-Conjugated Metal-Organic Frameworks”为题，于2026年6月19日在Advanced Materials上发表。
图1. AICCS策略对晶体结构的构筑与调控
图2. AICCS策略下实现双折射性能的跨越式提升
研究进一步理清了一条从分子堆叠几何结构、微观电子态到宏观物理性质之间的清晰构效关系。随着分子在平面内滑移距离的增加以及相邻两层分子之间重叠面积的减小，层间的电子转移积分显著下降，极化率椭球的空间畸变程度则随之增大。这些量化指标有力证明了层间电子态解耦在释放本征极化率各向异性中的核心作用。在引入竞争性阴离子进行层间解耦后，新合成的两例晶体展现出显著的光学各向异性，其双折射率在硫酸根和硝酸根杂化体系中分别达到了1.1和1.3，刷新了目前已知框架类光学晶体的最高纪录。
该研究通过引入特定空间拓扑对称性的无机酸根阴离子调控堆积模式，不仅为晶体工程调控提供了一种更为简便的AICCS策略，更明确地揭示了金属有机框架体系中电输运性质与光学性质之间的深层耦合关系。通过分子的堆积调控，成功将高电导率的π共轭金属有机框架晶体转变成了高双折射率的光学晶体。这一发现在未来有望指导设计集高电导率、导电各向异性与高双折射率、光学各向异性于一体的多功能凝聚态材料体系。
北京大学材料科学与工程学院博士生张嘉祥为论文第一作者。窦锦虎与纪清清为论文共同通讯作者。研究得到了云南大学冉茂银博士、北京大学化学与分子工程学院姚泽凡研究员、北京大学集成电路学院郑雨晴教授以及微米纳米加工技术全国重点实验室、北京大学分子材料与纳米加工实验室、北京大学材料加工与测试中心和北京大学电镜中心的帮助。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科学技术委员会等的支持。
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