有机半导体自组装微腔激光器

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有机半导体材料具有分子结构丰富、溶液可处理加工性、和高固态发光性能等优异特点,已经被广泛运用于有机发光二极管、有机场效应晶体管、太阳能电池、以及有机激光器等一系列光电器件中。其中有机半导体固体激光器发展较为缓慢,并且具有实际意义的电泵浦激光器至今还未实现。近年来,随着器件微型化和集成化的趋势,有机微纳米尺度激光器也体现出其基础研究意义和很好的应用前景。可以通过简单的溶液自组装方法来制备得到具有规整形貌的微纳低维结构材料,比如一维纳米线,二维微纳米盘,以及微纳米块等一些微纳材料结构。这些有机微纳米结构可以同时作为发光活性材料以及光学谐振腔,从而实现有机半导体激光的发射,具体研究内容如下:  (1)半导体微盘回音壁谐振腔已被应用于获得低阈值以及窄线宽的微米尺度激光,但需要复杂自上而下的构筑工艺。我们从溶液中自组装得到的1,4-二芳乙烯基苯(DSB)有机单晶六边形微盘可以作为高品质因子的回音壁谐振腔。在边长为4.3微米和1.2微米的六边形微盘中分别实现了多模式和单模式激光。  (2)进一步基于有机分子的可裁剪性,系统研究并揭示了分子结构—微纳谐振腔—激光性能三者之间的内在关联规律,为高性能有机固体激光器提供了新的设计思路。我们所用的是1,4-二芳乙烯基苯(DSB)的衍生物一对同分异构体:对位取代甲基的寡聚乙烯(p-MSB)和邻位取代甲基的寡聚乙烯(o-MSB)。通过简便的从下而上的制备方法,我们可以构筑p-MSB拉长六边形微米块和o-MSB矩形微米块。我们在o-MSB矩形微米块实现了激光,而在p-MSB拉长六边形微米块中没有实现。  (3)我们通过调控晶体生长的动力学过程来把有机分子HDMAC可控地自组装成为一维微米线(1D-MWs)和二维微米块(2D-MWs)。通过利用质子性溶剂以氢键的相互作用方式选择性地吸附在晶体的生长面[002]面上,从而实现对HDMAC微晶形状的可控性调控。进一步,微区光谱确实证明出这些制备得到的1D-MWs和2D-MDs显示出形貌依赖的光学谐振腔性能:1D-MWs可以作为FP谐振腔而2D-MDs可以当作回音壁谐振腔来实现激光的应用。这些易制备得到的有机单晶态微晶可以作为激光器的光学谐振腔,可以促进微纳米尺度光学回路的微型化和集成化。  (4)我们通过把分子内氢键引入有机半导体材料中,分子内氢键可以增加共平面π-共轭的长度,从而可以实现窄带宽(600~950 nm)以及高的发光量子产率(~15.2%)。DPHP分子的双亲性可以促进DPHP半球的自组装,可以实现完美的球状结构以及分子级别光滑表面高品质因子(~1.4×103)的回音壁光学谐振腔。由于在固态下形成了J类型的分子耦合组分,DPHP半球的增强辐射跃迁衰减速率kr=(1.98±0.29)×109 s-1可以保证高的光学增益,进而可以避免激子-激子湮灭以及得到高Q的自组装回音壁谐振腔。更加重要的是,在小尺寸(D<2.8μm) DPHP半球中成功地实现了单模近红外激光行为。这些易于制备得到的有机固体半球具有高品质因子的光学微腔,可以为集成微米尺寸芯片近红外波段的激光提供平台。由于在高载流子强度下激子-激子湮灭的消除,高的发光量子产率,以及高品质因子的回音壁半球谐振腔,我们的发现可以为以后实现有机电泵浦激光的方向打开一个思路。  (5)简便的溶液自组装方法可以通过调整制样时间,来制备得到不同尺寸1,4-双[4-(二对甲苯氨基)苯乙烯基]苯的微米带。我们发现单根微米带可以用作沿着宽度方向的Fabry-Pérot(FP)谐振腔,在这其中强耦合的光学波导模式和激子可以促进激子极化子(EPs)的形成。EPs的E~kz色散曲线,可以通过提取位于π/w整数倍的kz波矢空间中的FP共振能量来构成。通过用一个双耦合谐振子模型来模拟EPs的曲线色散关系,可以得到0.48到1.09 eV之间的耦合强度。我们的结果可以说明激子-光子耦合强度可以通过调节微米带腔的大小来调控,进而为调控在有机微结构中光与物质相互作用提供一个有效的方法。
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