Ученые создали органический кристалл, излучающий красный свет в ультрафиолетовом диапазоне и зеленый — в ближнем инфракрасном

Такое двухмодовое оптическое поведение имеет важное значение для будущих технологий. Материалы, преобразующие ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет в видимые сигналы, могут стать ключевыми компонентами оптических датчиков, систем визуализации и измерительных устройств.

Органические люминесцентные материалы являются привлекательными кандидатами для решения задачи преобразования невидимого света в видимые сигналы благодаря своей легкости, возможности химической модификации и структурной гибкости. Однако их оптическая эффективность часто ограничивается потерями энергии, возникающими из-за движения молекул и безызлучательного распада.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи сосредоточились на жестких молекулярных структурах и контролируемой кристаллической упаковке, при которой межмолекулярные взаимодействия могут приводить к возникновению коллективных оптических свойств, не наблюдаемых в растворе.

Традиционно для преобразования длины волны оптического излуучения использовались неорганические кристаллы, которые часто бывают тяжелыми, жесткими и сложными в обработке. В этом исследовании показано, что аналогичные функции могут быть реализованы с помощью молекулярного дизайна и кристаллической упаковки органических кристаллов.

Группа исследователей из Высшей школы инженерии и науки Технологического института Сибаура (SIT), Япония, Университета Васэда, Япония, и Института науки, Токио, Япония, изучала вопрос о том, может ли один органический кристалл давать несколько оптических реакций на различные формы невидимого света.

Команда ученых разработала и синтезировала жесткое π-сопряженное органическое соединение, включающее в себя пиразиновую группу, замещенную 1,2,5-тиадиазолом, и добилась выращивания высококачественных монокристаллов. Несмотря на то, что при нормальных условиях кристалл имеет желтый цвет, его оптические свойства оказались весьма необычными.

При облучении ультрафиолетом кристалл испускал красный свет с исключительно большим стоксовым сдвигом — энергия испускаемого света была намного ниже энергии поглощенного света. Детальный анализ показал, что это красное излучение возникает из-за эксимерного состояния, образующегося в результате тесных межмолекулярных взаимодействий внутри кристаллической решетки.

Удивительно, но тот же кристалл демонстрировал совершенно иной оптический отклик при облучении в ближнем инфракрасном диапазоне. При воздействии излучения в ближнем инфракрасном диапазоне он генерировал зеленый видимый свет посредством генерации второй гармоники (ГВГ) — нелинейно-оптического процесса, при котором два фотона с низкой энергией преобразуются в один фотон с более высокой энергией.

Важно отметить, что два оптических отклика — красная флуоресценция от образования эксимера и зеленый свет от SHG — сосуществовали в одном кристалле, не мешая друг другу.

Это исследование, демонстрирующее аналогичную функциональность органического кристалла, расширяет возможности разработки материалов для фотонных устройств нового поколения и раскрывает неиспользованный потенциал молекулярных кристаллов для визуализации невидимого света.