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学研汇 技术中心

2023-10-17

特别说明：本文由学研汇技术 中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

有机半导体是碳基材料，由共轭分子组成，可以通过蒸发或溶液简单沉积，以制造一系列电子和光电器件，这些半导体的特性可以通过改变化学结构来调节，且与多种基材兼容，已成功用于制造有机发光二极管、太阳能电池、晶体管和传感器。

然而，有机半导体的应用仍存在以下问题：

1、目前有机半导体激光器均需昂贵且复杂的光泵浦

到目前为止，几乎所有有机半导体激光器的运行都需要另一个激光器的光泵浦，光泵浦相对复杂且昂贵，因此需要开发有机半导体激光器的电泵浦。

2、电驱动的有机半导体激光机十分具有挑战性

有机半导体通常仅支持低电流密度，会遭受注入电荷和三重态的大量吸收，并且由于接触而具有额外的损耗，因此制造电驱动有机半导体激光器非常具有挑战性。

有鉴于此，英国圣安德鲁斯大学Graham A. Turnbull和Ifor D. W. Samuel等人将电荷注入和激光在空间上分离，从而大大减少了电荷损耗。作者通过将具有极高内部光生成能力的OLED与聚合物分布式反馈激光器有效耦合，开发了一种集成器件结构，实现了电荷注入和激光的空间分离。在集成结构的电驱动下，观察到光输出与驱动电流的阈值，具有窄发射光谱并在阈值之上形成光束，证实了激光发射。本研究结果提供了一种前所未有的有机电子器件，并表明OLED的间接电泵浦是实现电驱动有机半导体激光器的一种非常有效的方式。这为可见激光提供了一种方法，可以在光谱学、计量学和传感领域得到应用。

技术方案：

1、概述了集成器件的结构

本工作报道的集成器件由OLED电致发光区域、中心透明光耦合区域和聚合物分布反馈（DFB）激光腔的多层堆叠组成，通过出耦合效率证实了该集成设备能够将电致发光非常有效地转移到激光增益介质。

2、设计了OLED结构以实现高的光输出

为了满足BBEHP-PPV激光器的需求，作者通过OLED形状设计，实现了低电容，并降低了电阻、驱动电压和发热。

3、探究了脉冲操作下的OLED性能

作者探究了脉冲操作下的OLED性能，表明该器件可以在高电流密度下稳定运行，且具有迄今为止报道的最高强度的光输出。

4、表征了集成激光器的性能

作者测试集成激光器的性能，证实了激光器的激光发射、高效率以及长运行寿命，集成器件中等效功率密度高达95 W cm⁻²。

技术优势：

1、将电荷注入与激光分离，大大减少了电荷注入损耗

作者将注入电荷的区域与形成激光粒子数反转的区域分开。然后增益介质被电荷注入区域的电致发光激发，避免了注入电荷造成的损耗，大大减少了三元组造成的损耗，也减少了接触造成的损耗。

2、首次实现了有机电子器件

作者通过将OLED与激光器有效耦合，开发了一种集成器件结构，首次提供了一种有机电子器件，证实了OLED的间接电泵浦可以实现电驱动有机半导体激光器。

3、通过器件设计获得了前所未有的高光输出

作者通过OLED形状设计，减少了电阻、驱动电压和发热，获得了迄今为止报道的最高强度的光输出。

技术细节

集成OLED概述

集成器件由OLED电致发光区域、中心透明光耦合区域和聚合物分布反馈（DFB）激光腔的多层堆叠组成。基于BBEHP-PPV的DFB激光器已显示出有机激光器报道的最低激光阈值，因此被选为激光增益介质。本工作中使用的有效面积为130 μm×1 mm的OLED，根据峰辐射度将OLED和激光波导设计为仅相隔 7μm 的距离，以最大限度地提高增益材料中的激发密度。作者模拟了PNPN基板上的TSBF-OLED发射到不同折射率介质的出耦合效率，发现OLED到PVPy层的出耦合效率为 62%，是空气中的输出耦合效率的2.3 倍，证实了该集成设备能够将电致发光非常有效地转移到激光增益介质。

图  电驱动有机半导体激光器的结构

OLED设计以实现较高的光输出

BBEHP-PPV激光器的阈值约为100 W cm⁻²，对于之前报道的OLED效率，需要超过10 kA cm⁻²的高电流密度才能提供50 W cm⁻²的光输出。作者通过430nm 发射波长，实现了创纪录的辐射出射度，其关键设计特征是使用辐射寿命短的发射器、使用最小化电阻的接触设计、使用强短电脉冲以及使用掺杂传输层以促进电荷注入和传输。作者将OLED设计为长度为1mm的窄条，以匹配激光光栅的尺寸，宽度为130μm，以具有较小的发射面积。这种形状使电容保持较低水平，并确保电流只需在半透明触点上传输非常小的距离，从而降低电阻、驱动电压和发热。

图  PNPN基板上TSBF-OLED的性能

脉冲操作下的OLED性能

作者展示了不同峰值电流密度下驱动电流脉冲和电致发光的时间曲线，结果表明OLED可以在5.5kAcm⁻²的峰值电流密度下运行。在此电流密度下，OLED 输出脉冲的上升时间为1.5 ns，下降时间约为5.6 ns。OLED在脉冲操作下的电致发光光谱与BBEHP-PPV的吸收光谱有很好的重叠，计算出75%的光将被 230 nm厚的BBEHP-PPV薄膜吸收。本工作报道的OLED具有迄今为止报道的最高强度的光输出。

图  电驱动操作下集成激光器的表征

集成激光器的表征

作者通过向OLED施加电流脉冲来测试集成激光器。结果表明激光器的斜率效率为2.1±0.2 μW A⁻¹。使用电荷耦合器件 (CCD)相机测量了光发射的远场空间轮廓，获得了在阈值以下和之上获取空间剖面，证实了激光发射。此外，将电力驱动下的光束轮廓与OPO光学泵浦的发射进行了比较，进一步证实电驱动装置的发射是激光发射。还表征了高于阈值的电驱动激光器的偏振，电驱动激光器的寿命表征结果表明，该激光器可以在10Hz下运行超过2.5 小时，比电泵浦激光长得多。集成器件中等效功率密度高达95 W cm⁻²，表明与增益介质的耦合效率提高了2.4±0.3倍。

图  电驱动激光器的辅助光泵浦测量

总之，作者展示了一种可以在有机半导体中实现电驱动激光作用的集成器件方法，解决了有机光电子学中的一个重要挑战。该方法克服了有机或混合钙钛矿激光器直接电注入中的电荷损耗的问题，同时保留了操作优势。但是该有机激光器方法要求OLED在异常强的电流注入下工作，以制造速度非常快的有机光电器件。OLED在如此强烈的短脉冲操作下的微观物理特性尚未得到充分探索。

参考文献：

Yoshida, K., Gong, J., Kanibolotsky, A.L. et al. Electrically driven organic laser using integrated OLED pumping. Nature 621, 746–752 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-06488-5

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06488-5