金屬有機骨架材料，或稱金屬有機框架材料，英語：Metal Organic Frameworks，縮寫：MOF，是新材料在金屬有機材料中的一個重要分類，是新無機有機材料中研究最熱門的一個領域，因為他們將兩門經常被分開的化學學科無機化學和有機化學結合了起來。該材料由有機配體配位的金屬原子或原子簇構成一維、二維或三維的結構，可用於氣體吸附、氣體儲存、氣體分離、催化劑等領域。
由浙江大學材料科學與工程學院矽材料國家重點實驗室所領導的一組研究團隊，開發了具有多個段的單晶，以產生受控的單模近紅外（NIR）雷射。這一研究為探索利用金屬有機骨架材料工程技術為生物光子應用構建的單模微/納米雷射器開闢一條新途徑。該最新研究成果論文發表在最近一期的《自然》雜誌下的「光科學與應用」期刊上。
包含從可見光到近紅外的輸出範圍的多色單模偏振微雷射器，在光子集成和多峰化學傳感或成像應用中具有重要的應用。但是，在實踐中很難實現這種裝置。該論文通過研究計算，單晶的多個片段基於與適合綠色、紅色和近紅外雷射的染料分子雜交的金屬有機骨架。微晶中不同染料分子的分段組裝使它充當縮短的共振器，以低三色雷射閾值（紅色，綠色和NIR）實現動態的多色單模雷射。
具有金屬有機框架的多色單模偏振雷射感測
多色單模偏振雷射感測或成像是一種有前途的診斷技術。不同的生物組織、細胞或生物化學物質對不同波長的光具有不同的光學、熱和聲響應。具有寬帶多色輸出的光源可以為多模式或多維感測或成像提供基礎。光的偏振特性為處理散射信號提供條件，以獲取富含生物材料的結構信息。單模微/納雷射器可以滿足小型化光子器件的必要應用；其中包括信息準確性高，避免錯誤信號以及插入不同光信號的幹擾以實現不同細胞和分子的目標感測或成像。
金屬有機骨架是由金屬離子和有機橋聯配體組裝而成的周期性晶體材料，可提供強大的混合平臺來克服多色微雷射器的現有挑戰。該種材料的光滑且規則的晶體結構可以有效地充當光學諧振器，以提供光反饋。這項研究工作展示了基於不同染料分子的同時組裝，以實現多色單模雷射發射。
染料組裝的金屬有機骨架的合成與表徵
金屬有機骨架微晶包含各種染料分子，科學家首先使用計算模擬來揭示材料的雷射發射模式，以了解可能的雷射發射模式機制。結果顯示了用於光子集成和生化傳感或成像的多色固態微雷射器材料的新途徑。研究小組控制了金屬有機骨架晶體的單向生長，以在結構上組裝不同的客體材料/染料分子，併合成了染料組裝的分層雜化金屬-有機骨架。研究小組對在分層微晶上組裝的染色進行了粉末X射線衍射圖，與模擬結果非常吻合。
多色螢光和多色雷射性能
研究小組比較了染色組裝的雜化晶體的光致發光光譜。為此，他們確定了綠色、紅色和近紅外發射峰，使用多通道共聚焦雷射顯微鏡，展示了具有三種染料的混合單晶如何與入射光和濾光片模塊組合以進行分段激發和不同顏色的螢光信號輸出。該過程防止了染料組裝過程中因聚集而引起的猝滅效應，並有助於將能量從短波長染料分子轉移到長波長染料分子，從而實現高效的多波長發射輸出。
混合微晶中的掃描雷射性能
該團隊可以同時激發兩個晶體段交界處的材料，以通過實驗獲得亮綠色/紅色或紅色/ NIR雷射。獨特的設置允許在微納米空間中控制特定顏色或顏色組合的雷射，以用於各種生物光子應用。到目前為止，科學家們在具有明顯雷射偏振的三色混合晶體中實現了三波長單模雷射發射。通過對齊這些染料分子的發射躍遷。獲得顯著的發射各向異性（即螢光團發射的光具有相同的強度）。這種各向異性的多色雷射結果對於生物化學傳感或成像以及光信號處理應用具有巨大的潛力。
研究團隊從而在金屬有機骨架微諧振器上的宿主-客體雜化過程中開發了不同染料分子的層次組裝。使用該平臺，可以實現高達三波長的單模雷射發射。分段組件控制微雷射器的顏色輸出，並解決了不同染料分子之間能量轉移的不利影響。三色單模雷射工藝以單片結構提供了從可見光到NIR的波長範圍，從而簡化了開發用於多峰生物光子應用的單模雷射結構的過程。
參考：Huajun He et al. Controllable broadband multicolour single-mode polarized laser in a dye-assembled homoepitaxial MOF microcrystal,Light: Science & Applications. DOI: 10.1038/s41377-020-00376-7