有机吡啶盐染料掺杂聚合物波导地放大自发发射和微腔激光特性研究.pdf

第一章有机半导体激光器研究背景 第一章 有机半导体激光器研究背景 1—1引言 Semiconductor 有机半导体激光器(Organic Lasers，OSLs)的研究和开发是现今国际上的 关注热点，它与有机发光二极管、有机薄膜晶体管、有机太阳能电池、有机存储器等共同组 成了有机电子学这一新兴的学科方向。自1996年英国剑桥大学卡文迪许实验室首次报道以 来…，有机半导体激光器经历了12年的发展并取得了长足的进步，在材料上包括有机小分 子、共轭聚合物、树枝状共轭聚合物、螺环化合物、有机单晶；在器件结构上则有垂直微腔、 维环、微碟、分布反馈式(DFB)、随机腔【2】。虽然，目前尚难最终实现直接电泵浦的有机半 导体固体激光器13J，但是间接电泵浦方式的成圳41，已经为相关的应用提供了契机。有理由 相信，随着研究的深入，这一领域必将迎来不断的突破。本章主要从激光器的三要素——增 益介质、谐振腔、泵浦源这三个方面来对现有OSLs的相关科研工作进行一定的介绍和总结。 1．2有机半导体激光器增益介质 作为增益介质，与ⅡI．V族化合物、无机半导体等发光材料相比，有机半导体材料具有 更高的发光效率、更宽的发光颜色选择范围、大面积成膜的优越性；分子之间电子云重叠很 小，载流子具有高度的局域化特征，这种天然的“量子限制效应”使得有机发光材料具有很 高的增益系数，因此成为激光研究的热点。目前，对有机半导体材料的研究主要集中在有机 小分子和共轭聚合物两类，另外包括树枝状共轭聚合物、螺环化合物和有机单晶。 1)有机小分子 物有许多相似之处，都是四能级体系材料，吸收峰与发射峰之间存在较大的斯托克斯位移， 荧光谱线较宽，可以调谐发射波长等。其优缺点也较为明显：优点在于分子结构确定，易于 合成和提纯；大多可以采用真空蒸镀法成膜，得到的薄膜质密均匀、光学质量好；缺点在于 并不具备聚合物分子量大、稳定性佳、柔韧性好等优点，而且虽然聚合物材料难以真空蒸镀， 但通常采用的旋涂、浸取、喷涂等湿法成膜技术工艺简单、成本低廉。不过也有将有机小分 子扩散在PMMA、PVK等衬底材料中旋涂成膜的，主要利用后者辅助成膜p句J。 2)共轭聚合物材料 共轭聚合物作为激光材料，其自身具有许多优点。首先，由于能级结构以及振荡驰豫的 缘故，共轭聚合物是典型的四能级体系材料，容易实现粒子数反转，受激辐射截面大且与吸 收之间没有谱线重叠，从而对辐射的自吸收较小，有利于降低工作阈值。其次，吸收谱线较 次，具有较高的荧光量子效率(>60％)，荧光谱线较宽，通过控制分子结构，改变兀-矿间能 隙，还可以调节发射波长。最后，制备简单，通过旋转涂覆法即可获得光学质量较好的薄膜。 目前对共轭聚合物研究较多的是聚对苯撑乙炔(PPⅥ及其衍生物和聚芴(PF)材料【2J。 体中观察到了受激辐射现象【91，接着其他科研小组在共轭聚合物薄膜中同样观察到了受激辐 东南大学砸±学位论立 射‘’l吼“J。基于上述的成果及聚合物薄膜具有的导电性，人们相信可以晟终实现聚合物二极 管激光器[12,13I，并且为此深入地研究了聚合物内在的物理机制。 3)树枝状共轭聚合物和螺环化合物材料 除了上述两类，人们还对树枝状共轭聚合物材料(Dcndrlme哪和螺环化合物 物，树枝状共轭聚合物由中心发色团、树状支链、表面基团组成．中心发色团决定了主要的 光电特性(如出射波长)．表面基团则决定材料在有机溶剂中的溶解性，树状支链结构则将 两者结合起来。与共轭聚合物不同的是：第一，树枝状共轭聚合物在不同溶剂中的溶解性可 通过改变表面基团进行调整．而且不影响自身的光电特性；第二．其树状结构比麸轭聚台物 的线性结构复杂，所允许的发射波长范围也更宽；第三，通过旋涂所得的薄膜不易结晶，且 发光淬灭性低；第四，树枝状共轭聚台物薄膜中的电荷传输可以通过改变树状大分子的代数 (dendrimergeneration)进行控制；第五，也是最太的缺点即合成相当耗费时间””。 螺环化合物是新引入激光领域的一类发光材料，它通过中心螺环将两个共轭分子团连接 起来，这样在保持分子团原有光电特性的同时，既避免了分子内相互作用的不利影响，又可 以提高材料的可加工性，而且所成的无定形膜形态稳定，荧光量子效率不会因为溶剂与环境 的变化而改变【“I。以三联苯(Pkrphenyl)为例”9】．液态下是很好的檄光染料，但在固体薄膜 中容易结晶，不利于器件的工作。而通过螺环将两个或多个发色团连接起