基于有机微纳晶材料的激子极化基元及其激光的研究

Exciton-polariton (EP) in semiconductors and their micro/nano-structures can realize the extremely low threshold (no threshold) EP laser by use of breaking obstacle of population inversion necessary to traditional photonic lasers. Meanwhile, EP can help to develop the very small lasers because that its high refractive index in the macroscopic materials can effectively break the limitation of optical diffraction limit. In this project, we will focus on EP due to light-matter strong coupling effect, and realize very low-threshold and very small-scale organic EP lasers by a new technology of light-field control. We will obtain organic materials with high solid-state luminescence efficiency and high optical gain though the molecular design and new solution-processed fabricated technologies for their micro/nano-crystals. We will disclose the mechanism of the formation, transmission and manipulation of EP in the micro/nano-crystals by use of home-built microscope angle-resolved test system, combined with their luminescence efficiency, narrow excitonic emission peak, large oscillator strength and high-quality external DBR or built-in micro/nano-crystalline resonators. We will develop room-temperature optically-pumped low-threshold EP micro/nano-laser devices towards to electrically-pumped organic miniaturized lasers.

半导体及其微纳结构中激子极化激元（exciton polariton，EP），能够克服传统光子激光所必须的粒子数反转的桎梏，实现极低阈值（无阈值）EP激光。同时EP在宏观材料中显示出的高折射率，能够有效突破光学衍射极限的限制，实现极小尺度的激光器件。在本项目中，我们将聚焦光与物质强耦合作用的EP，通过光场调控新技术实现极低阈值和极小尺度的有机EP激光。我们将通过有机材料的分子设计，突破其微纳晶的溶液法制备，获得兼具高固态发光效率和高增益的微纳晶材料。结合它们高发光效率、窄激子发光峰、大振子强度的特性和高质量外在DBR或微纳晶自建谐振腔，借助自主搭建的显微角分辨测试平台，研究微纳晶中EP的形成、传输和操控的机制。发展室温光泵浦低阈值微纳晶EP激光器件，为开发电泵浦有机微型化激光器提供实验基础和理论指导。

半导体及其微纳结构中激子极化激元（exciton polariton，EP），能够克服传统光子激光所必须的粒子数反转的桎梏，实现极低阈值（无阈值）EP激光。同时EP在宏观材料中显示出的高折射率，能够有效突破光学衍射极限的限制，实现极小尺度的激光器件。虽然有机材料有可能在室温下实现EP和EP激光，但是相关的研究还处于起步阶段，需要在有机材料和器件设计上的发展。.在为期四年的执行过程中，我们成功设计与合成了多种兼具高固态发光效率和高增益的有机激光分子，利用气相法、液相法和模板法的手段成功构筑了系列微纳米晶态结构，研究了分子结构、自组装形貌与激光性能之间的关系并揭示其内在调控机制。结合它们高发光效率、窄激子发光峰、大振子强度的特性和微纳晶自建谐振腔，借助自主搭建的显微角分辨测试平台，实现了对有机微纳晶中激子极化激元（EP）的产生、传输和发射等行为的操控，探索微腔EP及EP激光调控的构效关系和内在机制，为开发低阈值有机微纳晶EP激光器件及其它光子学器件提供理论和实验的基础。.在国家自然科学基金委的关心和大力支持下，在项目组成员的共同努力下，本项目取得了若干创新性的研究成果，成功完成了项目的预期目标。超额完成了预期研究成果，至今已在国际高水平学术刊物上共发表研究论文22篇，分别发表在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际著名化学和材料期刊上，文章发表后受到国际国内学者的关注。此外，若干实验结果尚在整理中，将于近期完善并投稿。