有机近红外低维晶态材料的可控制备及其激光性能的研究

Organic semiconductor materials have been widely applied in a series of organic optoelectronic devices such as organic light-emitting diodes (OLED), organic field-effect transistors (OFET), organic solar cells, and organic solid-state lasers (OSSLs), due to its inherent merits such as tailor-made molecular structures, solution processing, the high solid photoluminescence (PL) quantum-efficiency and so on. Meanwhile, organic nano-/micro-scale lasers have demonstrated its potential applications in the integrated devices. Through the simple solution self-assembly method, organic semiconductor molecules can form the nano-/micro-structures, such as one-dimensional (1D) nanowires, two-dimensional (2D) micro-disks, and micro-plates. As far, researches on the low dimensions organic crystal laser are intensively concentrate in the visible light wavelength range and have to discover the new cases by chances without a conducting method. This project is planned to undertake a fundamental research on the preparation and the laser properties of low dimension organic crystals with near-infrared emission. In order to study the effect on the near-infrared emission and the laser properties, small molecules with the activity of excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) will be introduced into organic conjugated system. Besides that, low dimensional organic nano/microcrystal laser will be fabricated to study the internal relationship among the organic molecules structure, the molecules packing modes and the near-infrared laser properties, striving to fabricate the low dimensional organic crystal lasers with low threshold at room temperature.

有机半导体材料具有分子结构丰富、溶液可处理性、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、有机激光器等一系列光电器件中。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体现出很好的应用前景。可以通过较为简单的溶液自组装方法来制备得到具有规整形貌的微纳米低维结构材料，比如一维纳米线、二维微米盘以及微米块等。目前国内外对有机低维晶态激光器的研究，多集中于可见光激光且还处于一个一个案例的发现阶段。本项目拟对有机低维晶态近红外发光材料的制备及其激光性能展开物性方面的基础研究。将具有激发态质子转移活性的小分子引入到有机共轭体系中，考察分子结构和液相组装调节对低维晶态结构的近红外发光及激光性能的影响，并构筑低维晶态近红外固体激光器件，探究有机分子结构、分子堆积方式、近红外激光性能之间的内在关联机制，力求实现室温低阈值的近红外激光。

近红外（NIR）固态激光器（SSL）由于在电信通讯，光谱学和医学诊断等领域的潜在应用，受到了广泛的关注。而目前，由于窄带隙近红外分子低的受激辐射，缺乏稳定的四能级体系，以及有机单晶中较弱的分子间作用力使得高品质的自组装谐振腔的可控制备存在很大挑战这些困难，有机晶态近红外固态激光器的发展仍然受到限制。本项目理性设计并有效合成了一系列具有稳定四能级体系有机近红外激光材料，进而可控制备了高品质低维晶态材料并实现了近红外有机激光，具体研究内容如下：.一、将具有ESIPT活性的小分子，通过与芳香醛缩合得到更长共轭体系的有机小分子DMHC。利用激发态质子转移前后烯醇式（enol）和酮式（keto）的S0，S1能级建立真正的四能级体系，并使得波长实现红移，首次实现了大于760 nm的近红外激光。此外，通过设计合成具有聚集诱导发光分子及共晶策略来实现有机固体激光，为高性能近红外激光器的实现提供了可能的策略。.二、发展了“自下而上”和“自上而下”的协同合成方法来制备直径为120 ± 10 nm的有机单晶DMHP纳米线。所制备有机纳米线具有平坦端面和光滑的表面，可作为Fabry-Pérot（FP）光学谐振腔有效地限制和放大光子，支持了660 nm的近红外激光发射。此外，通过在同一分子体系中选择性引入并调控多层次分子间非共价弱相互作用的方法，实现一维多级嵌段异质结纳米线的精确自组装合成，为有机多级近红外纳米线激光谐振腔的可控构筑提供了普适性的途径。.三、基于DMHP有机纳米线能够有选择的支持0-1和0-2辐射跃迁通道分别在660和720 nm的近红外室温激光的特性，通过调控有机纳米线的长度在室温下实现了单波长（660或者720 nm）或者双波长（660和720 nm）的可谐调有机近红外激光。.四、为实现集成化的近红外微纳光电器件，我们引入“毛细管桥限域自组装”的方法，实现了对有机晶体成核位点和生长方向的控制，并基于此制备了高度有序的ESIPT活性小分子DMHC有机单晶纳米线阵列，成功地实现了一维有机纳米线近红外激光器“点光源”向阵列激光器“面光源”的转变。