马鞍形分子也能搭出二维超结构：榫卯堆叠偏振比87.5%

1 背景与问题

双曲抛物面分子，即通常所说的“马鞍形”分子，因其独特的负高斯曲率和非凡的物理化学性质，在光电器件领域展现出巨大的应用潜力。然而，这类非平面分子由于其固有的扭曲结构，在分子层面上难以实现精确的取向和堆叠，导致将其受控地组装成高度有序的超结构面临巨大挑战。

为了验证这些新型超分子结构的组装成功性及其作为功能材料的应用潜力，研究人员急需一种能够灵敏探测材料晶体对称性、取向及界面结构的先进表征技术。传统的光谱手段往往难以直接反映非中心对称结构的微观排列，而二次谐波（SHG）显微成像技术因其对非中心对称性的高度敏感性，成为解决这一问题的关键手段。

2 核心方案

本论文提出了一种“刚柔并济”的分子设计策略，合成了一种名为Cy-DBT的双曲抛物面大环分子。通过溶剂诱导的分级自组装策略，该分子从二聚体（Dimer）逐渐生长为一维（1D）超分子柱，最终形成二维（2D）超结构（2D HPS-MT 和2D HPS-Z）。

为了深入探究这些超结构的非线性光学性能及微观排列，研究团队构建了一套基于飞秒激光的二次谐波（SHG）测试系统。该系统不仅用于验证材料的倍频效应，还通过偏振分辨SHG测量和功率依赖性测试，精确解析了分子堆叠模式与宏观光学响应之间的内在联系。

图1.双曲抛物面分子（Cy-DBT）受控分层自组装过程的示意图。a Cy-DBT的化学结构与模式结构。b由π-π堆积相互作用驱动的超分子二聚体((Cy-DBT)₂)。c通过不同的C-H···π导向组装模式形成的1维超分子柱状结构，包括榫槽型和锯齿型。d通过进一步对1维超分子柱状结构进行自组装，形成最终的2维超结构（2D HPS-MT和2D HPS-Z）。

3 实验结果与分析

研究团队利用SHG 技术对两种不同结构的2D 超结构（2D HPS-MT 和2D HPS-Z）进行了详细的表征。实验结果表明，这两种结构均表现出优异的二阶非线性光学响应。

关键性能数据对比：

图2.二维HPS-MT的二次谐波（SHG）性能a.二维HPS-MT分层超结构及其光学二次谐波的侧视示意图。b.在不同功率（10–100 mW）下，使用1064 nm脉冲激光激发时，二维HPS-MT的SHG性能。各功率级别以不同颜色标示。SHG强度以任意单位的探测器计数表示。c. 1064 nm波长下，二维HPS-MT功率依赖性SHG信号的对数曲线图。d.二维HPS-MT在1064 nm激光激发下的SHG强度与偏振关系。橙色圆点表示实验结果，红色实线表示拟合结果。

深入分析：

(1) 高强度 SHG 响应：在 1064 nm 飞秒激光激发下，两种材料均产生了强烈的 532 nm 倍频信号，其中 2D HPS-MT 的信号强度达到了 1.5 × 10⁵，证明了其非中心对称结构的有序性；

(2) 偏振敏感性：通过旋转偏振角，研究团队发现 SHG 强度呈现双瓣状分布（cos⁴θ 拟合）。2D HPS-MT 的偏振比高达 87.5%，显著优于 2D HPS-Z。这一数据直接反映了榫卯型堆叠方式比之字型具有更高的宏观偶极矩取向一致性；

(3) 功率依赖性：SHG 信号随激发功率呈二次方增长，验证了其双光子过程本质，表明材料具有较高的激光损伤阈值。

4 产品介绍

FreDancer

SHG二次谐波/多光子显微成像

SHG是一款偏振分辨二次谐波显微成像平台，用于研究非中心对称材料的晶体取向、对称性和界面结构。系统集成非线性激发、偏振控制、显微成像与位移扫描。适用于二维材料、铁电材料、非线性晶体、界面结构和面内或面外SHG分析。二维材料层数与取向、铁电畴、莫尔结构、晶体对称性和界面重构是非线性光学研究热点。SHG显微成像无需荧光标记即可提供对称性敏感信息，适合偏振分辨、面内/面外响应和微区畴结构分析。

4.1 技术特点

主机集成电学采集、光学控制、CCD成像、位移台和背景照明，建立SHG成像专用系统。

(1) 支持面内和面外SHG测试，可分析晶体取向、对称性和界面结构；

(2) 成像范围随5×、20×、50×和100×物镜配置灵活切换；

(3) 采用1030±5 nm等激发并与显微镜耦合，适合微区非线性光学成像；

(4) 偏振扫描、面内/面外测量和多倍率显微成像可用于拟合晶体取向并观察微区对称性差异；

(5) 偏振模块：偏振角步进达到1°级，横向空间分辨率达到0.5 μm级，支持自动偏振拟合、功率依赖和温度依赖SHG mapping；

4.2 产品优势

(1) 偏振分辨和面内/面外测试直接面向材料对称性分析，定位区别于通用多光子显微镜；

(2) 专用集成系统减少复杂非线性光路搭建和多部件同步控制难度；

(3) 多倍率成像兼顾大范围定位与微区精细结构分析；

(4) 专用偏振分辨和面内/面外SHG测量比通用多光子显微附件更直接地服务晶体对称性与取向分析；

本研究通过“刚柔并济”分子设计策略，成功实现双曲抛物面分子分级自组装，构筑的二维超结构2D HPS-MT偏振比高达87.5%，SHG信号达1.5×10⁵，展现优异非线性光学响应。东谱科技FreDancer SHG二次谐波/多光子显微成像平台，集成偏振分辨SHG与面内/面外测试功能，可精准解析二维材料、铁电材料及界面结构的晶体取向与对称性，为新型有机非线性光学材料的功能评价与器件开发提供先进表征手段。

原文参考：Controlled hierarchical self-assembly of hyperbolic paraboloid molecules into twodimensional superstructures with secondharmonic generation characteristic