基于银纳米粒子及其薄膜的低阈值光泵浦有机激射现象研究

With the development of organic optoelectronic materials and devices, organic solid-state laser have received considerable attention. Up to now, the organic solid-state laser is only pumped optically. The electrically pumped laser is hard to be achieved because of the high excitation threshold, especially in the condition that metal film was used as cathode which result in the serious fluorescence quenching. Because the use of metal film in the future organic solid-state laser is hard to avoid, thus, how to reduce the fluorescence quenching induced by the metal film is a key issue in the research field of organic solid-state laser. .Aiming at this key issue, our project provide a structure consisted of silver film and its nanoparticals to avoid the fluorescence quenching by silver film, and to increase the lasing gain of the organic molecular. We hope to reduce the lasing threshold of the organic molecular based on the fluorescence enhancement effect of the silver film and its nanoparticals, as well as the incoherent random lasing effect of the silver nanoparticals. In this project, we also investigate the coupling effect between localized surface plasmon and surface Plasmon-polariton, as well as the enhancement effect of this coupling effect to the fluorescence and the lasing of the organic molecular.

随着有机光电子材料和器件的发展，有机固体激光器成为国际研究的热点，目前有机固体激光以光浦为主，而电泵浦有机固体激光很难实现，其主要障碍是损耗过大，导致激发阈值过高，特别是在平面波导结构中，金属阴极对荧光分子发光的猝灭和吸收。 由于平面金属电极在电泵浦有机固体激光器件中很难避免，因此，如何避免其对荧光分子的猝灭和损耗是有机固体激光领域中的关键问题，同时也是未来成功研制电泵浦有机激光器必须解决的障碍之一！.针对这个关键问题，我们项目以含有银纳米粒子、薄膜及有机功能材料的平面波导为研究对象，拟采用银纳米粒子及其薄膜的荧光增强等效应以及银纳米粒子的非相干随机激光效应来提高有机荧光分子的激射增益，避免银膜对荧光的猝灭，最终实现一种低阈值的光泵浦有机激射现象。同时揭示光场诱导银纳米粒子的局域等离子极元与银膜界面的等离子体极元之间的耦合作用及其对有机分子激射增强的规律。为电泵浦有机固体激光器做必要的铺垫

随着有机光电器件的发展与应用，特别是有机电致发光二极管（OLED）的成功产业化，人们对有机固体激光器，特别是有机碘泵浦激光器有了更多期待。如项目立项时所述，实现有机电泵浦固体激光器中的一个重要瓶颈是，金属阴极对荧光分子的淬灭和吸收，致使激射阈值增加。所以，如何避免其对荧光分子的猝灭和损耗是有机固体激光领域中的关键问题，同时也是未来成功研制电泵浦有机激光器必须解决的障碍之一。..为了解决这个关键问题，我们制备银纳米粒子及其微结构，利用其表面等离子激元共振效应（LSPR），增强有机染料分子的荧光（PL）及其放大自发辐射（ASE），实现了超低阈值的有机光泵浦激光现象以及成功避免了金属薄膜对荧光的损耗。最后我们在项目中还研究了在银纳米微结构中有机分子间能量转移的相关机理。超额完成了项目要求。重要的成果具体如下：.1）.金属半微腔致使荧光量子效率以及辐射衰减速率增加从而增强平面波导结构中有机染料的ASE现象。阈值降低3.7倍！（Organic Electronics, 15（2014） 2052-2058）.2）.有机给体受体发光体系中，利用金银纳米棒的宽吸收光谱增强体系的受激辐射。通过扩展光谱使之与激发波长（给体的吸收波长）与受体辐射波长相匹配，增加对泵浦光的吸收，以及受体的辐射衰减速率，从而能最大限度的增加给体受体系统的增益，从而降低体系的激发阈值，实现最低6.5uJ/cm2的泵浦阈值。（Optics Letters, 40（2015）990–993）.3）.银岛膜中粒子尺寸对受激辐射波长调控，实现不同的激光波长调控。Optical Materials Express, 2015, 5(3): 629-638.4）.银纳米粒子及其薄膜复合结构实现低阈值有机分子受激辐射，通过银纳米粒子与其薄膜的耦合实现高的等离子激元局域场增强效率，从而进一步降低激射阈值。J Mater Chem C,2016,4(24): 5717-5724 .5）.新型有机无机复合材料甲基铵铅碘薄膜在外电场调制下的荧光和激光淬灭行为，以及理论上分析了这种淬灭行为的机理，以及估算其激子束缚能为36meV左右。（Appl Phys Lett 2015, 107(26), 261106）.以上研究成果对于下一步实现电激励的发光二极管以及相关光电子及其有重要实验和理论基础。