有机半导体异质结激光发射特性研究

有机半导体激光器是国际上有机光电子学领域的热点研究问题之一，在基础研究和实际应用中都具有重要意义，而基于有机半导体异质结中激发复合体的激光发射特性研究尚未有相关报道。本项目旨在解决在光泵浦条件下实现激发复合体的激光发射问题，分析其发射特性及理论机制。在结构制备方面，以紫外激光干涉灼蚀直写技术为手段，结合基于有源波导耦合光栅设计激光器结构的新思路，系统研究干涉激光能量、激光腔结构参数和有机半导体异质结材料的匹配关系；在材料光物理学性质方面，采用时间分辨光谱学和飞秒激光的泵浦探测技术相结合的研究手段，量化激发复合体的光物理学特性与溶剂种类、组分配比、激发波长和退火温度的依赖关系；全面揭示光泵浦条件下不同制作手段和不同腔结构设计的有机半导体异质结激光发射的一般性物理规律。为有机光电子学基础研究、特别是电泵浦有机半导体激光器的研制提供实用性的物理学指导。

本项目采用多种微纳结构制备手段，以时间分辨光谱学和飞秒激光的泵浦探测技术相结合，系统研究了有机半导体激光腔结构参数和荧光材料的匹配关系，解决了光泵浦条件下激发复合体激光发射问题，分析其发射特性及理论机制。在本项目资助下，项目负责人及其团队建立了有机半导体激光器激射模型，实现了多种腔型的激光发射及其横向对比，完成了本项目的预期目标，取得了一系列理论和实验成果，并向应用层面进行了初步拓展。发表SCI论文16篇（预期目标为7篇以上），其中影响因子大于6的论文2篇，大于3的论文8篇；非SCI学术论文8篇；申请国家发明专利5项（预期目标为2-4项）；培养研究生4名（预期目标为2名）。相关成果获得了2012年教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖（第二完成人），2013年第八届饶毓泰基础光学奖优秀奖。.取得的具体进展包括：.1）考察了分布反馈式腔结构与有机半导体发光材料的匹配关系；通过实验和理论分析确定聚芴材料组分配比、反馈腔和荧光效率的关系；并发现有机半导体材料无需填满分布反馈式腔也能得到激光发射，简化了器件制备流程；发表学术论文3篇。.2）系统研究了DFB腔结构参数的实验优化，确定干涉光刻方法中激光光束参数、曝光量、显影/定影时间和DFB腔形貌的关系；发现腔结构在制作时存在相互转化关系。对DFB腔结构的制备方法提出了创新：干涉交联结合微应力法、自组装结合溶液法等，发展了多种干法、湿法制备技术，实现了多种金属/介质DFB腔型的制备。发表学术论文7篇；申请国家发明专利3项。.3）确定了腔结构各个控制参数的作用，建立了有机半导体激光器件激射模型，可有效指导该类器件腔型的定量设计。如共振波长与光栅周期、波导厚度正相关等；发表学术论文4篇。.4）对DFB腔的光谱学特性进行了考察，分析了金属型腔结构中的耦合模式演化规律，该规律有利于深入理解DFB腔与荧光发射材料的光谱匹配和定量优化腔结构；深入考察了无序金属三维微腔中的反馈机制及其激光发射规律。发表学术论文4篇；申请国家发明专利1项。.5）探索了所制备的微腔结构的可能应用，如偏振滤波器件、传感器件、太阳能电池器件、SERS器件等。发表学术论文6篇；申请国家发明专利1项。.上述研究结果揭示了光泵浦条件下不同制作手段和不同腔结构设计的有机半导体异质结激光发射的一般性物理规律。为有机光电子学基础研究提供实用性的物理学指导。