有機激光二極體：夢想終於成真

導讀

據日本九州大學官網近日報道，該校研究人員的研究證明，一種長期以來難以實現的、基於有機半導體的激光二極體確實有可能實現。這項研究為進一步拓展激光器在生物感測、顯示器、醫療保健和光學通信領域的應用鋪平了道路。

背景

半導體激光器，具有體積小、重量輕、壽命長、運轉可靠、能耗低、電光轉換效率高、易於大規模生產以及價格低廉等優勢。

封裝好的半導體激光二極體（圖片來源：維基百科）

有機激光二極體，被認為是發光器件領域長期以來的一個夢想。它的發光是採用碳基有機材料，而不是傳統器件中使用的無機半導體，例如砷化鎵和氮化鎵。

這種激光器，在許多方面類似於有機發光二極體（OLED）。在有機發光二極體中，一層薄薄的有機分子在通電時發光。由於效率高和色彩鮮明，OLED 成為了智能手機顯示屏最受歡迎的選擇之一，而這些顏色很容易通過設計新的有機分子來改變。

基於OLED技術的顯示器（圖片來源：Fraunhofer FEP）

有機激光二極體能產生更純凈的光線，以實現更多的應用。但是，為了激發激光，它們需要的電流比OLED中所使用的電流高得多。這些極端條件導致之前研究的器件，在激光被觀察到之前就被破壞了。

更進一步的複雜進展是，之前聲稱由有機材料產生的電致激光的說法，在某些情況下是錯誤的。由於沒有充分的表徵，其他現象被誤認為是激光。

創新

近日，日本九州大學（Kyushu University）有機光子與電子研究中心（OPERA）的科學家們在《應用物理快報（Applied Physics Express ）》期刊上報告稱，他們通過足夠多的數據令人信服地表明，有機半導體激光二極體終於實現了。

論文領導作者 Atula S. D. Sandanayaka 表示：「我認為業界中許多人都在懷疑，我們是否真正有一天能實現有機激光二極體。但是，通過改進材料和創新器件結構，慢慢突破各項性能極限，我們最終還是做到了。」

技術

發射激光的一個關鍵步驟，就是向有機層中注入大量電流，以達到一種稱為「粒子數反轉（population inversion）」的條件。然而，許多有機材料的高電阻，使得它們在加熱和燃燒之前，難以在材料中獲取足夠的電荷。

有機激光二極體在電激下產生藍色激光發射的原理圖（圖片來源：九州大學）

最重要的是，在高電流的情況下，大多數有機材料與器件所固有的各種損耗過程會降低效率，使得必要的電流變更高。

為了克服這些障礙，Chihaya Adachi 教授領導的研究小組使用了一種高效的有機發光材料（BSBCz）。即使在注入大量電流的情況下，它還是具有相對較低的電阻以及較少量的損耗。但是僅僅擁有正確的材料還是不夠的。

他們也設計了一種器件結構，其中一個電極頂部有一個絕緣材料網格，用於將電流注入到有機薄膜中。這種網格也稱為「分散式反饋結構」，可以產生髮射激光所需的光學效應。但是，研究人員又更進了一步。

（圖片來源：參考資料【1】）

Adachi 表示：「通過優化這些網格，我們不僅可以獲取期望的光學特性，而且可以控制器件中的電流，並將觀察有機薄膜發射激光所需的電量最小化。」

價值

這項研究為進一步拓展激光器在生物感測、顯示器、醫療保健和光學通信領域的應用鋪平了道路。

研究人員對這些新器件的前景感到很有信心，因此，2019年3月22日，他們創立了一家初創公司（KOALA Tech Inc.），以加速研究和克服有機激光二極體商用的最後障礙。

該公司的創始成員 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們的有機激光二極體，從而將這一最先進的有機發光技術帶給全世界。

關鍵字

激光、二極體、OLED、有機電子

參考資料

【1】Atula S. D. Sandanayaka, Toshinori Matsushima, Fatima Bencheikh, Shinobu Terakawa, William J. Potscavage, Chuanjiang Qin, Takashi Fujihara, Kenichi Goushi, Jean-Charles Ribierre, Chihaya Adachi. Indication of current-injection lasing from an organic semiconductor. Applied Physics Express, 2019; 12 (6): 061010 DOI: 10.7567/1882-0786/ab1b90

【2】http://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/126

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