有机光功能材料与激光器件

来源：科学出版社

功能材料是以声、光、电、磁、热等物理特性为特征的材料，例如半导体材料、液晶材料(liquid crystal materials)、储氢材料(hydrogen storage materials)、激光材料(laser materials)等。与无机材料相比，有机光功能材料(organic opto-functional materials)具有诸多优越的性能，例如优异的耐热性和化学稳定性、良好的绝缘性和介电性能、理想的成膜性以及简单的成型工艺等，在半导体光刻、有机光致发光和电致发光、传感器、生物荧光探针等领域有着广泛应用。集成显示是电子信息产业目前最关键、最重要也是最主要的基础，而有机光功能材料已成为显示技术中不可或缺的关键性材料。

在20 世纪人类科技进步史上，激光是与原子能、计算机、半导体并驾齐驱的四项重大发明之一，也被认为是影响全球未来发展的18 项重大关键技术之一。随着科技的进步，激光技术也在向微型化、多功能化、集成化快速发展。尤其是近年来，激光全色显示技术因其具有色域广(对人眼识别颜色90%以上的覆盖)、色饱和度高、亮度高、极限高清、真三维(3D)等颠覆性的优势，受到业界的广泛关注。 

▲ 全色激光显示

由于激光显示技术(laser display technology)在能耗和色域等方面具有优势，其已成为当今显示产业的生力军。在同等尺寸及显示条件下，激光显示器的功耗仅为普通显示器的70%，同时激光因其自身超窄光谱特性，可以实现更纯的单色显示和更宽色域，这意味着激光显示器的色彩质量和能耗较普通显示器都会有质的飞跃。目前，激光显示的核心：红、绿、蓝三色激光光源还依赖于GaN、GaAs 等材料作为增益介质的无机半导体激光器。因此激光显示器的成本在纯有机材料主导的有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示器和有机材料无机复合的薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD)中处于不利地位，这极大地限制了激光显示技术的发展和推广。目前，激光显示器仅在60 英寸以上的大尺寸市场占有一定份额，而在电脑、手机等中小尺寸市场缺乏竞争力。而有机激光显示(organic laser display, OLSD)技术结合了激光显示低功耗、广色域以及OLED 低成本、小尺寸的优势，成为次世代显示技术的研究重点。

▲ 含有多色微型激光器阵列的激光显示面板示意图

我们相信有机微型激光器在实际应用中的突破也将出现在显示面板领域，即激光显示面板。与面板由独立OLED 构成不同，激光显示面板每一个像素都是一个有机微腔结构，可以发射出高纯度的激光。这可以提高面板的空间分辨率、亮度和颜色范围等评价显示质量的关键参数。

与传统的无机半导体材料相比，有机光功能材料具有结构可设计、性能可剪裁、受激辐射截面大、激发态过程丰富、可溶液加工等优点，易于实现激光发射波长的连续可调谐，为大面积、柔性可穿戴激光显示提供了全新的解决方案。近年来，有机微纳激光材料及其器件取得了突破性进展，在光泵浦和电泵浦激光器件、大面积激光显示器件应用上展现出巨大潜力。然而，有机电泵浦微纳激光是整个有机激光显示的核心，是研究人员长久以来追求的目标，被认为是有机光电子学研究领域发展的瓶颈和挑战性科学问题之一。

为了实现有机微型激光器作为显示面板的目标，我们需要将驱动微型激光器的泵浦源的成本降低到合理范围。目前，几乎所有的有机微型激光器都依赖于高强度飞秒/皮秒脉冲激光的光激励。如果有机微型激光器可以用连续波段半导体激光器进行光泵浦，只需扫描印刷微型激光器阵列上的激发点即可实现光学显示。迄今为止，电泵浦有机激光器的实现仍然具有极大的挑战性。尽管现在OLED 的效率可以与半导体LED 相媲美，但将光学谐振腔结构并入OLED 中仍然是一个难点。

▲ 两种电泵浦激光结构示意图

如图所示，反射层(反射镜)不能插入电极对之间，也很难在二极管型器件外部集成。另一种类型的有机发光器件是基于晶体管的几何结构，这种结构中增益材料将比二极管更容易与自组装微腔结构兼容。