面向电泵激光的有机晶态材料设计、制备及器件化

Organic semiconductor laser, especially the electronically pumped laser, is a long-term target in the research field of organic semiconductors, promising great breakthrough for fundamental research as well as technological applications. However, electronically pumped organic laser is still a challenging and unachieved task in the frontiers of material research, even though it has been often theoretically predicted. This proposal addresses the key issues of organic lasing, aiming to prepare two types of organic gain media (organic crystals, organic crystalline composites) and two configurations of organic electronically pumped laser (distributed feedback laser, field-effect injection laser). Specifically，the research objective of this proposal is to develop the method to control and modulate the high-density carriers (excitons, photons) inside the organic gain media, and to elucidate the behaviors of the charge carriers, excitons and photons inside organic crystalline materials. Furthermore, this proposal also aims the breakthrough of three relevant key techniques including material design and preparation, fabrication of laser cavity, and the construction of the electronically pumped laser. As such, we believe this work will, very possibly, lead to the first electronically pumped organic laser which is a significant scientific contribution and a technological breakthrough, greatly enhancing our national reputation in the field of organic semiconductor.

有机激光特别是电泵有机激光一直是有机半导体研究的重要方向和器件目标。由于其理论意义与实用价值巨大同时实现的难度极高，因此一直被视为有机半导体领域的最前沿。本项目针对有机激光关键科学问题，希望发展两类有机半导体激光材料（有机晶体、有机复合晶体）和两种有机电泵激光器件结构（分布反馈激光、场效应注入激光），建立有机激光材料中高密度能量载体（激子、光子）可控调制（放大）的方法，初步揭示载流子、激子和光子在长程有序结构的有机晶态材料中的运动规律，突破三项关键技术（材料设计与制备、光子学微加工、电泵激光器件制作），力争在我国首先实现有机电泵激光的输出，做出具有国际影响力的重大贡献，显著提升我国在该领域的学术地位。

有机激光研究的意义重大：（1）激光技术发展的需要；（2）有机半导体材料科学发展的需求。（3）重大科学发现的机遇。开展有机电泵激光材料与器件的研究（通常需要极高电流密度下工作，是一种目前研究很少涉及的极端条件），有助于发现长程有序新结构所带来的一系列新现象、新特征、新效应、新功能，有助于揭示载流子、激子和光子在长程有序结构的有机高分子材料中的运动规律，建立新的有机光电子理论，从而成为材料科学学科一个新的生长点。.本项目的总体目标是发展有机半导体激光材料，揭示载流子、激子和光子在长程有序结构的有机晶态材料中的运动规律，力争在我国首先实现有机电泵激光的输出，获取一批具有自主知识产权的核心专利技术，做出具有国际影响力的重大贡献，显著提升我国在该领域的学术地位。.围绕上述科学目标，本项目在材料与器件方面开展了系统创新研究，取得了一些重要的研究成果，发表学术论文（标注）39篇（全部为SCI检索，其中IF>9的论文8篇（Angew. Chem. Int. Ed. 2篇； Adv. Energy. Mater.1篇，Adv. Funct. Mater. 3篇；Chem.Sci. 1篇，Chem.Mater.1篇）。.重要的成果包括：（1）提出基于高能激发态反向隙间窜越（RISC）的“热激子”原理。电致发光生成大量的三线态（T）激子（比例为75%），限制电致发光器件效率，同时增加激光过程的损耗。我们发现在若干荧光分子体系中辐射单线态（S）激子的生成比例可以突破自旋限制，到达接近100%。光谱与理论分析表明存在一种在激发水平的的过程即 “Hot-exciton”路径。这个新发现的路径贡献于观测到的高S激子生成，可极大提升电致发光效率，同时为有电泵有机激光的实现带来新的希望。（2）论述CT与局域激发态杂化原理（HLCT）。依据量子化学原理提出提高CT态材料发光效率的分子设计原理，发现当CT与局域激发态能量接近、轨道构型匹配时能够杂化形成一个新的发光效率高、单线态激子比例大的材料体系。为高效率、低成本材料设计提供了理论与实验依据。(3)发展高发光、高迁移率CN-DSB晶体材料体系, 发光效率达到80%、电子空穴迁移率分别达到μh = 1.0 (cm2/V s)；μe = 2 .5(cm2/V s)； 实现大电流密度、边发射TFT发光器件，为进一步电泵有机激光奠定基础。