有機半導體材料具有高增益、易加工、機械柔性等優點，基于這些材料開發的有機固態激光器已在生物化學傳感、光子學通訊和激光顯示等領域展示出應用潛力。然而，作為有機固態激光器邁向實際應用的關鍵，有機電驅動激光器仍未被實現，其核心問題包括載流子遷移率不平衡相關的極化子損耗以及三重態累積引起的吸收損耗和單重態激子湮沒。
中國科學院化學研究所光化學重點實驗室趙永生課題組近年來致力于有機固態激光器的理論研究（Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1691-1700）和應用開發（Nat. Commun. 2019, 10, 870）。針對有機光學增益材料載流子遷移率不平衡帶來的極化子損耗問題，構筑了具有平衡雙極傳輸特性的電荷轉移復合物增益介質，首次實現了這類材料的受激輻射（Sci. Adv. 2019, 5, eaaw2953），為開發新型雙極傳輸激光材料提供了有價值的參考。然而，對于最具有挑戰性的三重態損耗，常規思路是利用三重態的化學淬滅來抑制三重態相關損耗。如果能夠有效利用三重態的能量，能夠降低損耗，并將“變廢為寶”，從而顯著提高有機固態激光的效率。
近日，研究人員受到熱活化延遲熒光（TADF）材料的啟發，提出利用這些材料中獨特的反向系間竄越（RISC）過程，解決有機固態激光器中的三重態損耗難題的策略。研究團隊根據激光理論篩選出高發光效率和高RISC效率的TADF體系并與高光學質量的微腔結合，首次在升溫過程中觀察到了獨特的熱活化激光現象（圖1），直接從實驗上證明了體系中的三重態激子可以被RISC過程捕獲并用于單重態受激輻射。研究人員進一步將這種獨特的激光機制應用于更具有挑戰性的有機準連續激光領域，實現了準連續區間內的有機激光（圖2），為最終實現有機電驅動激光提供了有意義的借鑒。相關研究成果發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21677-21682）上，化學所研究員閆永麗、趙永生為論文通訊作者，博士周忠豪為論文第一作者。
研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部和中科院的支持。
圖1.有機固態激光器中的熱活化機制
圖2.熱活化激光機制實現有機準連續激光
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