将光致发光（PL）尤其是长寿命室温磷光（RTP）现象集成到周期性亚微米结构中以构建多光学形态光子晶体（PC）是目前光学功能材料及相关器件重要发展趋势，但这种集成极具挑战性。这一方面是由于RTP的实现需要刚性基质以稳定三重态激子并抑制非辐射跃迁，但这些基质往往不具备周期性结构，不能对光产生选择性反射。另一方面，由于光子晶体材料和RTP材料制备方法差异很大且与光相互作用的物理机制没有关联性，使得发光单元与光子晶体阵列之间的兼容性和可组合性显著降低。
针对这一问题，物理学院研究人员提出了一种新颖的通用性策略来制备具有三重光学形态的光子晶体（三态PCs）。通过高温煅烧内部封装有荧光碳点（CDs）的SiO2纳米颗粒，形成具有规则形貌的单分散磷光SiO2纳米球（RTP-CDs@SiO2）并自组装成三态PCs。该PCs的三种光学模式在不同光源环境刺激下可以无缝切换，即在日光下具有虹彩结构色、紫外光照射时发出明亮的PL以及关闭紫外光后产生时间依赖的RTP。研究表明，高温煅烧产生磷光的内在物理机制是由于强C-Si共价键网络的形成进而稳定了激发三重态。进一步发现，磷光不依赖于所包裹CDs的表面缺陷类型或杂原子掺杂，因此证明所提出的制备方法具有通用性。此外，研究人员在该材料的基础上进一步实现了热响应三态光子凝胶。通过简单调整凝胶的环境温度（8oC-43oC），可以巧妙地将物理发光（结构颜色和透光率）与化学发光（PL和RTP）相联立，并且这些光信号在不同光传播模式下表现出互补偿特性。最后，研究人员展示了三态光子凝胶在可回收智能窗和多维信息加密等领域的应用场景，表明该材料在未来新型光学器件设计方面的广阔的应用前景。这一工作为物理色（结构色）和化学色（PL和RTP）的有机整合和系统集成开辟了新的途径，其丰富的光学性质有助于相关材料及光学器件的设计、研究向更高水平发展。
单分散磷光SiO2纳米球、三态光子晶体和三态光子凝胶的制备过程
三态光子凝胶的热响应光学特性
该成果近日发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上，物理学院为唯一通讯单位，文章第一作者是物理学院博士生王昌兴，物理学院卢学刚教授、杨森教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金和陕西省自然科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202408632
