基于有机微纳晶体材料的谐振腔设计和激光性能研究

Microlasers are essential components for integrated optoelectronic devices. Benefit from the inherent crystalline features and unique photonic confinement, organic low-dimensional crystals offer an excellent platform to investigate intrinsic properties of organics. Moreover, the functionality could be well improved through rational structural design as well as cooperative interactions among multiple components, providing great potentials for high-performance lasing material. Starting from the design and synthesis of organic opto-functional molecules, we will explore influence of the weak intermolecular interactions and environmental factors to molecular assembly process. We are trying to reveal the crystal formation mechanism, which is controlled thermodynamically or dynamically in nucleation and growth stages. On the basis of a comprehensive understanding, we would like to develop several preparation methods for organic micro-/nanocrystals with breakthroughs in controllability, including size, morphology, molecule stacking pattern, etc. In addition, novel characterization techniques will be proposed to fully evaluate the optical properties of organic tiny crystals. In combination with crystal structural features, we will conduct an in-depth analysis of structure-property relationship, especially the propagation process of photon/electron in a confined system. Great attentions will be paid on the relationship between exciton behavior, structural confinement and optical properties. Through the deep understanding of assembly process and structure-property relationship, we hope to make a significant step towards function-oriented materials design and controllable fabrication.

微纳激光是集成光电子器件中不可或缺的组成部分。有机低维晶体材料与生俱来的单晶特性和光子限域效应，不仅为研究有机半导体的本征性质提供了绝佳的机会，还可以利用结构设计、多组分协同效应来调控其激发态过程，获得不同功能的微纳激光。本项目我们筛选两类经典有机分子，从分子设计、合成出发，深入认识分子间弱相互作用及环境因素对组装过程、分子排列方式的影响，揭示超分子组装热力学控制以及成核/生长动力学控制的有机微纳晶体的形成机制，发展有机微晶的可控合成方法，在尺寸、形貌和分子取向控制方面取得突破，实现有机复合微晶的可控制备；发展新的微观光电谱学手段客观评价材料的光学性质，结合分子排列、微晶形貌等结构特征，分析光子、电子在微观结构中的限域传播特性。重点探索激子过程、谐振腔结构与激光性质之间的关联，深入理解微纳晶体激射的本质。在此基础上理性设计分子及组装过程，实现既定功能微晶材料的定向制备。

本项目按照任务书执行。围绕微纳激光材料的开发及谐振腔的设计开展了三方面的研究工作。. 有机微纳结构自身的规则形貌能够作为谐振腔支持激光发射。我们充分利用有机材料丰富的激发态过程构建易于粒子数翻转的四能级结构，并利用能量转移等过程实现对受激发射的调控。在能量给受体系中，当给体发生受激辐射时，得益于给受体间较高的能量转移效率，受体发光也得到了非线性放大，实现了“三极管”的功能；通过改变给受体的比例及激发光强度调控给体辐射跃迁及能量转移的竞争，我们实现了给体及受体的选择性受激发射。我们还首次证实了，热活化延迟荧光体系中从三线态反向系间窜跃回单线态的能量能够参与受激发射。这些结果发展功能导向的光子学材料设计提供了借鉴。. 实现大面积有机微纳谐振腔结构的精准加工是有机纳米光子学走向应用的前提。我们充分发挥有机材料在溶液加工方面的优势，发展了喷墨打印及浸润性辅助的丝网印刷技术，实现了大面积、普适性的微纳激光阵列的精确制备。与组装的方法相比，这些微纳加工技术在精确定位方面表现出了显著的优势。进一步利用水性和油性有机染料溶液在浸润性方面的差异，我们发展了分步喷墨打印技术，实现了有机核壳异质结微纳激光器阵列的精准构筑。这种结构中，核、壳部分可分别作为微纳谐振腔支持激光发射，得到单色或者双色发射。在此基础上，我们提出了浸润性辅助的丝网印刷技术，实现了微纳激光阵列的批量制备；特别地，这种方法兼容电致发光器件的制备，为后续构筑电注入的微纳激光阵列开拓了思路。. 本项目取得了丰富的成果，在项目执行期累积发表高水平研究论文14篇，包括Nat. Commun.和Sci. Adv.各一篇，J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.各两篇。本项目也非常注重知识产权保护，相关成果申请PCT专利两项，其中一项已经获得美国授权（US Patent No. US11192388B2）；另申请韩国专利四项，其中两项已经获得授权（10-2215532和10-2339275）。