日本九州大学研制出有机半导体激光二极管,拓展激光器在光学通信领域的应用

来源:环球创新智慧

发布时间:2019年6月12日上午 11:06:50

日本九州大学(Kyushu University)有机光子与电子研究中心(OPERA)的科学家们在《应用物理快报(Applied Physics Express )》期刊上报告称,他们通过足够多的数据令人信服地表明,有机半导体激光二极管终于实现了。论文领导作者 Atula S. D. Sandanayaka 表示:“我认为业界中许多人都在怀疑,我们是否真正有一天能实现有机激光二极管。但是,通过改进材料和创新器件结构,慢慢突破各项性能极限,我们最终还是做到了。”

近日,日本九州大学(Kyushu University)有机光子与电子研究中心(OPERA)的科学家们在《应用物理快报(Applied Physics Express )》期刊上报告称,他们通过足够多的数据令人信服地表明,有机半导体激光二极管终于实现了。论文领导作者 Atula S. D. Sandanayaka 表示:“我认为业界中许多人都在怀疑,我们是否真正有一天能实现有机激光二极管。但是,通过改进材料和创新器件结构,慢慢突破各项性能极限,我们最终还是做到了。”

 

半导体激光器,具有体积小、重量轻、寿命长、运转可靠、能耗低、电光转换效率高、易于大规模生产以及价格低廉等优势。

 

日本九州大学研制出有机半导体激光二极管,拓展激光器在光学通信领域的应用

 

封装好的半导体激光二极管(图片来源:维基百科)

 

有机激光二极管,被认为是发光器件领域长期以来的一个梦想。它的发光是采用碳基有机材料,而不是传统器件中使用的无机半导体,例如砷化镓和氮化镓。这种激光器,在许多方面类似于有机发光二极管(OLED)。在有机发光二极管中,一层薄薄的有机分子在通电时发光。由于效率高和色彩鲜明,OLED 成为了智能手机显示屏最受欢迎的选择之一,而这些颜色很容易通过设计新的有机分子来改变。

 

日本九州大学研制出有机半导体激光二极管,拓展激光器在光学通信领域的应用

 

基于OLED技术的显示器(图片来源:Fraunhofer FEP)

 

有机激光二极管能产生更纯净的光线,以实现更多的应用。但是,为了激发激光,它们需要的电流比OLED中所使用的电流高得多。这些极端条件导致之前研究的器件,在激光被观察到之前就被破坏了。

 

更进一步的复杂进展是,之前声称由有机材料产生的电致激光的说法,在某些情况下是错误的。由于没有充分的表征,其他现象被误认为是激光。

 

发射激光的一个关键步骤,就是向有机层中注入大量电流,以达到一种称为“粒子数反转(population inversion)”的条件。然而,许多有机材料的高电阻,使得它们在加热和燃烧之前,难以在材料中获取足够的电荷。

 

日本九州大学研制出有机半导体激光二极管,拓展激光器在光学通信领域的应用

 

有机激光二极管在电激下产生蓝色激光发射的原理图(图片来源:九州大学)

 

最重要的是,在高电流的情况下,大多数有机材料与器件所固有的各种损耗过程会降低效率,使得必要的电流变更高。

 

为了克服这些障碍,Chihaya Adachi 教授领导的研究小组使用了一种高效的有机发光材料(BSBCz)。即使在注入大量电流的情况下,它还是具有相对较低的电阻以及较少量的损耗。但是仅仅拥有正确的材料还是不够的。

 

他们也设计了一种器件结构,其中一个电极顶部有一个绝缘材料网格,用于将电流注入到有机薄膜中。这种网格也称为“分布式反馈结构”,可以产生发射激光所需的光学效应。但是,研究人员又更进了一步。

 

日本九州大学研制出有机半导体激光二极管,拓展激光器在光学通信领域的应用

 

Adachi 表示:“通过优化这些网格,我们不仅可以获取期望的光学特性,而且可以控制器件中的电流,并将观察有机薄膜发射激光所需的电量最小化。”

 

这项研究为进一步拓展激光器在生物传感、显示器、医疗保健和光学通信领域的应用铺平了道路。研究人员对这些新器件的前景感到很有信心,因此,2019年3月22日,他们创立了一家初创公司(KOALA Tech Inc.),以加速研究和克服有机激光二极管商用的最后障碍。该公司的创始成员 Chihaya Adachi 教授、Jean-Charles Ribierre 博士、Fatima Bencheikh 博士、Takashi Fujihara 博士,目前正在努力改善他们的有机激光二极管,从而将这一最先进的有机发光技术带给全世界。

 

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