有机、钙钛矿激光材料与器件研究及性能优化

发布时间：2020-03-25 17:34

【摘要】：有机半导体激光材料凭借其价格低,激光阈值低,制备工艺简单,以及发射波长可调谐等优点引起了学术界和工业界的广泛关注。目前,光泵浦有机激光器的研究已经趋于成熟,但电泵浦有机激光器依然是激光研究领域当前亟待解决的难题,实现电泵浦有机激光面临的主要挑战是有机半导体材料的低载流子迁移率、三线态激子积聚和器件结构中不可避免的对光子的各种损耗因素。为解决这一难题,当前行之有效的办法是开发新型低阈值有机激光材料、对已开发的有机激光材料进行光学增益的优化或筛选载流子迁移率较高的有机发光材料、并优化其光学增益性能。本文按照此思路开展了如下的研究工作:(1)开发PSF-Cz和PSF-Ph两种聚硅杂芴系蓝光有机激光材料。系统研究了这两个有机材料薄膜器件的光物理特性和光增益特性,包括吸收光谱、荧光光谱、放大自发辐射(ASE)阈值以及光学净增益和损耗。利用一维二级分布反馈(DFB)光栅结构实现了PSF-Cz为增益材料的性能蓝光DFB激光器件,优化后的激光器件在出光波长448.4 nm处获得0.169?J/cm~2的低阈值和4.2%的输出效率。最后基于F?rster能量传递的基本理论,采用主客体掺杂的方法,将F8BT客体掺入PSF-Ph主体,形成PSF-Ph-F8BT共混薄膜体系,实现了对F8BT薄膜器件光学增益特性的优化。同时,系统分析了共混比例对PSF-Ph-F8BT共混薄膜的光物理特性和光学增益特性的影响。(2)将原本不具备激光行为的PCDTBT掺入到聚合物F8BT主题中,在共混薄膜体系F8BT-PCDTBT观察到发光在710 nm的近红外区域的低阈值(21?J/cm~2)ASE特性,并系统研究了主客体掺杂比例对F8BT-PCDTBT光学增益性能的影响。利用Pump-Probe技术测试共混样品的瞬态吸收光谱,进一步分析共混体系的发光机理。使用纳米压印技术制造柔性的一维DFB光栅结构,将共混溶液沉积在此衬底上实现了低阈值近红外的激光器件,表征共混材料的激光特性。再通过一系列的光学表征确定最佳共混比例。进而通过将另一种红光聚合物P3HT引入这一共混体系,实现了红光到近红外(IR)光学窗口(650 nm~710 nm)60 nm的ASE波长调节。(3)将新型太阳能电池材料CH_3NH_3PbI_3通过两步法沉积在透明衬底上,制备成薄膜器件,表征其放大自发辐射特性,确定其光增益特性。同时还探究了基底类型、旋涂工艺以及泵浦光束的波长对CH_3NH_3PbI_3薄膜器件ASE阈值的影响。最后通过掺入PbBr_2制备混卤钙钛矿薄膜,通过调节碘元素与溴元素的比例,实现近红外范围内约140 nm宽度的波长调节。
【图文】：

终于在 1960 年 5 月世界上第一台实用型激光器——红宝石固体激光器被宣布问世自此以后，高方向性，高颜色纯度，，高相干性和超高亮度等优秀光学品质的激光光束受科学家们的广泛关注。经过六十年的发展，激光技术逐渐成熟，激光的波长也已经覆盖光谱中（图 1.1）200 nm ~ 30 μm 的波段，激光的作用也不仅仅只是作为相干光源，还可来传递信息，拦截武器，美容，显示和照明。服务的行业不同，激光器所需具备的特点差异，所以当前市面上存在的激光器种类繁多，根据工作物质的类型可以分为无机激光有机激光器,根据泵浦源可以分为光泵浦激光器和电泵浦激光器。其中无机半导体材料不可以实现光泵浦激光，还可以实现电泵浦激光，这使得无机半导体激光器在实际应用中易推广和使用。但对于有机半导体材料而言，虽然材料本身具备一种特殊的共轭结构，更容易发生粒子数反转，更容易实现受激辐射光放大，但有机半导体材料相对低的光、定性和低载流子迁移率等诸多限制因素，使得目前有机半导体材料只实现了光泵浦激光射，为了拓展有机半导体激光器在实际生活中的应用，摆脱昂贵的光泵浦源的束缚，实机激光器的商业化，科学工作者还在不断地探索实现电泵浦有机激光器件的可能性。

为了适应市场需求被不断地改造创新，市面上存在的激工作方式也不尽相同，但每台完整激光器最核心部分都必须包括：振腔（如图 1.2）[14]。其中增益介质是激光器的工作物质，为受激本的物质——光子，常见的气体工作物质有氮气（N2），氩离子气掺钛蓝宝石（Ti3+: Al2O3）等，花青类染料及半导体工作物质如砷要作用是为受激辐射光放大过程提供能量，将粒子从低能级抽运为了有连续不断的激光出射，泵浦源就必须源源不断地提供能量和电泵浦两种。谐振腔是由两面反射镜组成，一面是全反射，一是让受激辐射跃迁过程释放的光子在腔体内不断地振荡，一方面通过增益介质形成光学正反馈，一方面剔除振动方向和频率比较高方向性和高单色性，目前我们实验室研究有机激光的谐振腔一（Distributed Feedback, DFB）和平面波导。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248

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本文编号：2600193