新型有机微纳激光材料与器件中的激发态过程研究

Microlasers are essential components for integrated optoelectronic devices. The abundant excited state processes in organic molecules are helpful for the design of novel laser materials and for the construction of high-performance laser devices. In addition, the unique optical properties revealed in the stimulated organic materials provide more effective means for the study of their excited state dynamics. In this project, we will build the four-level energy structure via various excited state processes for the realization of microscale lasers with different functionalities. Starting from the design and synthesis of organic photofunctional molecules, we will construct microscale resonant cavities with specific structures via the controlled assembly of organic molecules, and then study their excited state processes. On this basis, we will try to figure out the relationship among the molecular structures, crystal structures, excited states, and laser performances, for the final realization of multifunctional microlasers. Through the design of molecular materials with high carrier mobility and high luminescence efficiency, we hope to make a significant breakthrough on electrically driven microscale lasers.

微纳激光是集成光电子器件中不可或缺的功能元件。有机分子丰富的激发态过程有助于设计新型微纳激光材料及构筑高性能激光器件，同时材料在受激状态下表现出的光学特性为深入研究分子的激发态动力学过程提供了新的手段。本项目针对集成纳米光子学领域对特定功能激光材料的关键需求，通过有机微晶中聚集态分子的激发态质子转移、电荷转移、能量转移等物理化学过程构建有利于粒子数反转的能级系统，从而实现具有波长可调、波长转换、开关效应等特殊功能的微纳激光。从有机功能分子的设计合成出发，通过分子的可控组装构建不同类型的微纳谐振腔；发展新的光电谱学手段，研究有机材料中的激发态动力学过程；探索有机分子结构、聚集态结构以及激发态过程对材料激光性能的影响机制，进而实现多功能微纳激光器件的研制。在深入理解有机微纳材料受激发射机理的基础上，通过设计合成兼具高迁移率和高发光效率的有机半导体材料，力争在有机微纳电泵浦激光方面取得突破。

未来集成光电子回路的核心功能器件之一是微纳激光器。有机材料丰富的激发态过程有利于开发高性能的微纳激光器，同时这些器件也为进一步研究有机材料中的激发态动力学过程提供了良好的平台。研究团队在本项目执行期间利用有机光电功能材料的激发态特性构筑了以宽谱可调微纳激光器为代表的一系列高性能微纳激光器；以所得器件为平台，阐明了有机材料的粒子数翻转机理与受激状态下的光化学和光物理过程，进一步完善了激发态理论；基于对分子间弱相互作用力的深刻理解，实现了一系列有机复合微腔及多色异质结的可控构筑，开发了一系列以光子学条形码为代表的具有重要应用价值的光子学功能器件；揭示了有机微纳晶体在激发态下形成的Frenkel激子与光子发生强耦合形成的激子极化激元（Exciton Polariton）属性，首次利用静电场对激子扩散行为的影响，在单根有机半导体纳米线中打破了光传输的对称性；发展了溶液打印、激光直写等有机柔性光子学器件的可控加工技术，突破了有机材料集成化面临的关键瓶颈，可控构筑了大面积集成光子回路及一系列的全色有机激光显示面板。