基于金属光子晶体的有机半导体激光发射特性研究

Based on our recent progresses in organic semiconductor lasers using distributed feedback mechanisms, in particular on the achievements of organic random lasers using "Plasmonic Feedback" in metallic nanostructures, this project intends to develope nano-manufacturing techniques for large-area metallic photonic crystals and to investigate the photophysics of localized surface plasmon resonance and its interaction with molecules, exitons, and charges in organic semiconductors. Then, organic light-emitting and laser devices are constructed using the feedback mechanisms based on the "Plasmon resonance-DFB microcavity" scheme. The optoelectronic properties of particle plasmon resonance is investigated systematically in the photoluminescence and electroluminescence processes. Realization of the optically pumped organic lasers and light-emitting diodes with narrow-band and directional emission using metallic photonic crystals will be the aim of this project. .This project introduces for the first time the multifold functions of metallic photonic crystals, which may include the nanostructured electrodes, particle plasmon resonance, and the microcavity feedback mechanisms, into the organic optoelectronic devices. This may lead to a breakthrough in the development of electrically pumped organic lasers.

本项目依据在分布式反馈有机半导体激光器方面取得的最新进展，特别是首次利用金属纳米结构"等粒子激元反馈"机制实现了有机半导体随机激光器，开发以大面积金属光子晶体为核心结构形式新型纳米制造技术，利用超快激光时间分辨光谱学深入研究等离子激元及其与有机半导体分子、激子和电荷相互作用的光物理学过程，进一步构造基于金属光子晶体中"等离子激元-微腔结构"反馈机制的有机半导体发光和激光器件。系统研究等离子激元在有机半导体光致、电致发光过程中不同的光电子学作用，实现基于金属光子晶体的光泵浦有机半导体激光器，获得基于金属光子晶体的有机电致发光器件的窄线宽、定向发射，并进一步研究其激光发射特性。.本项目首次将金属光子晶体的纳米电极功能、等离子激元和微腔反馈机制集成应用于有机光电子器件的研制，旨在取得电泵浦有机半导体激光发射方面的突破性进展。

电泵浦有机半导体激光器至今尚未实现。本项目针对这一挑战性科学问题，开展了以下工作：大面积金属光子晶体的制备、光物理学特性研究；等离激元光学反馈机制研究及其在随机激光发射中的应用；基于金属光子晶体DFB微腔的光泵浦有机半导体激光器件研究；基于金属光子晶体的电致发光器件研究，获得窄线宽、定向发射，进一步研究电泵浦激光发射特性。..在大面积金属光子晶体制备方面：利用金纳米颗粒合成技术和激光干涉灼蚀直写结合热处理工艺，针对等离子激元、反馈微腔和纳米电极等多重功能，制备了多种形式的高质量金属光子晶体结构。..在金属光子晶体中等离子激元局域场和光散射增强效应、分布式反馈机制的定量表征方面：采用瞬态光谱学，包括飞秒激光泵浦探测和瞬态荧光光谱学，研究了等离激元光散射和局域场增强的分布、作用尺度、时间寿命等及其随金属光子晶体结构参数的变化规律。实际测量确定了DFB反馈微腔的有效长度。..在基于金属光子晶体DFB微腔结构的光泵浦有机半导体激光器的设计及其激光发射特性研究方面：利用高分子半导体材料F8BT和基于金光栅结构的DFB微腔，系统研究了不同形式的F8BT薄膜对激光发射阈值的影响,获得了降低阈值的有效途径。这对于获得高效光泵有机半导体激光器和可能的电泵浦激光发射至关重要。..在基于金属光子晶体微腔结构的电致发光器件、电泵浦有机半导体激光发射特性研究方面利用金属光子晶体电极结构构建了有机半导体F8BT电致发光器件，实现等离子激元和反馈微腔结构的物理机制，研究了电致发光器件的窄带发射和选择性放大特性。..总之，本项目利用飞秒激光泵浦探测技术，研究了等离激元和分布反馈微腔中光学增益的动力学过程，发现了激发复合体的受激发射，特别是首次实现了基于DFB微腔的注入锁定放大器。利用金属光子晶体实现了光泵浦有机半导体DFB激光器。进一步利用金属光子晶体构造有机电致发光器件，获得了窄线宽、定向荧光发射。较圆满完成了预期目标。