MOFs混合基质膜材料再发JACs：用于高速可见光通信（VLC）领域提高光通讯传输速率的MMM！

文章亮点

1、作者团队利用一种发光且稳定的锆基MOF：NU-1000为填料，发光MOF显示了400-600 nm光谱范围内的宽发射带，选择发光聚合剂PIM-1为基质（因为其发光特性以及与NU-1000的良好光谱重叠），将二者搅拌均匀混合后，把形成的粘性混合物涂覆在石英板上，蒸发溶剂后制备了厚度约为150μm的混合基质膜（详细实验流程查阅文献）。

2、作者团队在后续的光谱学研究中，在溶液中观察到从NU-1000供体（D）到PIM-1受体（A）的有效能量转移，根据D发射的淬灭，通过调整二者的重量百分比，制备了一系列具有高效能量转移特性的MMM，用于后续MOF与聚合剂之间的能量转移研究。

3、作者团队在制备MMMs期间，发现MOF的结构没有改变，并且保持不变。此外，NU-1000纳米棒被很好地包裹在聚合物中，MOF颗粒和聚合物基体之间没有大的空隙。这表明MOF和聚合物基质之间存在显著的相互作用和粘附，这提供了适当的距离，这是有效能量转移的主要条件。

4、作者团队发现发光MOF和发光聚合剂有着高效和超快的能量转移，并通过密度泛函理论（DFT）进行了论证。合成的MMM显示出约80MHz的优良调制带宽，这高于通常用于光无线通信的大多数成熟的颜色转换磷光体。

5、作者团队发现有效的能量转移进一步提高了光通信数据速率，从纯聚合物的132 Mb/s提高到MMMs的215 Mb/s。这一发现不仅展示了MMMs在高速VLC中的应用前景，还强调了高效、超快的能量传输策略对于提高光无线通信数据速率的重要性。

背景介绍

在大数据背景下，人类的社会发展、文化交流、信息传输十分依赖于稳定的有线或无线通信链路。现如今无线基础设施上数据流量持续增长，但是可用射频频谱不足和带宽有限，面对日益增长的人类需求，传统的射频（RF）无线技术已经无法满足。可见光通信（VLC）可以为人类使用网络提供一种无许可证的、安全的带宽，可有效避免信号泄露等缺点，它跨越紫外线（UV）到红外波长，以可见光波段的光为信息载体，在空气中直接传输光信号作为通讯方式，绿色低碳、抗干扰性强，是通信领域一条不受限制的高速和低空数据传输新途径，可见光通信也可与WiFi、以及5G等通信技术相融合，为物联网、航海、航空、地铁等诸多领域带来新的应用与体验。

用于可见光通信（VLC）的传统材料主要集中在陶瓷、钙钛矿等材料，但它们的缺点是合成工艺复杂、制造成本高、以及可调性差，这使得它们的发展潜力较低无法商业化普及。低成本、带宽高、可调稳定性高的光通信材料成为诸多科学家研究的对象，MOFs材料在传感和光收集应用方面有着巨大潜力，一种MOFs混合基质膜材料走进了人们的视野，2022年4月，阿卜杜拉国王科技大学的Mohamed Eddaoudi等人在JACs上发表了题为“用于高速可见光通信的金属有机框架混合基质膜”的文章，为制备可见光通信材料提供了新的思路。

图文速读

图1　

（a） NU-1000和PIM-1（BZOH：苯甲酸）分子组成示意图。

（b） NU-1000（D）（蓝色\固体）发射光谱和PIM-1（A）（红色\虚线）吸收光谱之间的光谱重叠。D-An复合材料的发射光谱

（c）分散在氯仿溶液中，以及

（d）在350 nm激发下处于薄膜状态（其中n是a的重量百分比）。

（e） 薄膜和D-A0.9MMM的飞秒荧光上转换动力学轨迹。在早期的时间尺度上，在510nm处监测。

（f）D-A0.9横截面的SEM图像。插图是NU-1000纳米棒的图像和

（g）横截面的相应放大区域。

图2

（a） 薄膜和D-A0.9MMM（实线）的稳态傅里叶变换红外（FTIR）光谱，以及基态和激发态下A的模拟CN键（虚线）。

（b） A膜和D-A0.9 MMM的时间分辨红外光谱，延迟时间为0.9 ps。

（c）2127和2136 cm处A胶片和D-A0.9MMM的相应动力学轨迹。

（d） 从侧面优化了D-A复合材料的界面结构。

（e） 富含D\/COOH的NU-1000界面的投影态密度（PDO）。

（f）D-A复合系统内的能量转移图。DFT计算是在GGA\/PBE理论水平上进行的（C:灰色，H:白色，O:红色，N:蓝色，Zr:绿色）。

图3 基于直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）的光调制测量。

（a） 小信号频率响应测量设置示意图。

（b） A（红色曲线）、D（黑色曲线）和D-A0.9MMM（蓝色曲线）的归一化频率响应。插图显示其对应−3-dB带宽。信道容量为每个子载波分配的比特数。

（c）A，

（e）D-A0.9以及每个子载波的功率加载因子和SNR：

（d）A，

（f）D-A0.9

结论与展望

作者团队提出了一种有效的MMMs能量传输策略。这种新方法依赖于在发光聚合物PIM-1中添加发光MOF NU-1000，该聚合物具有强烈的相互作用（NU1000被聚合物紧密包裹）和良好的光谱重叠。由密度泛函理论（DFT）计算支持的各种超快时间分辨光谱测量揭示了从MOF到聚合物基体的超快且高效的能量转移。所制备的MMM具有约80MHz的高调制带宽。有趣的是，从MOF到聚合物基体的有效能量转移将通信数据速率从纯聚合物的132 Mb/s提高到了MMMs的215 Mb/s，这表明了该团队设计的高效能量转移策略MMM在可见光通信有着良好的前景，为获得高速VLC提供了强大的设计方法，未来可作为一个新型的可见光通信材料去扩宽其领域。