一个机缘巧合使得有机二极管激光器更进一步发展
一束红色激光照在一张带有宾夕法尼亚州立大学学术标志复制品的卡片上。援引:贾玉飞/宾夕法尼亚州立大学
自1962年半导体二极管激光器被发明以来,我们的通信方式发生了革命性的变化,同时在CD、DVD和蓝光设备中实现了信息的存储和检索。这些二极管激光器利用的是在精密高真空系统中生长的无机半导体。现在,来自宾夕法尼亚州立大学和普林斯顿大学的一个研究小组,已经向着在实验室中使用溶液沉积的混合有机-无机材料制备二极管激光器迈出了一大步。
“把发光二极管(LED)转变为激光并不是一个大的飞跃。你本质上只是添加了镜子,并使其更难驱动,“宾夕法尼亚州立大学电气工程系副教授Chris Giebink说。“如果有机发光二极管(OLED)在30年前被发明,每个人都会认为只要我们有了相对高效的OLEDs,有机激光二极管不久后也将会出现。
事实证明,有机二极管激光器被证明是非常难以制备的。
有机激光二极管可能具备一些优点。首先,由于有机半导体相对柔软具有柔性,所以有机激光器可以被纳入无机对应物所不具备的新的形状因子中。而无机半导体激光器发出的光,其波长或颜色相对受到限制,有机激光器则可以产生任何波长,其中有机材料依靠化学家在实验室中通过剪裁有机分子的结构来合成。这种可调性在从医疗诊断到环境感测等应用中可能是非常有用的。
虽然没有人能成功制备出有机激光二极管,但是其中涉及到的相关材料-有机/无机钙钛矿,在过去的几年中,已经引起了研究界巨大的关注。Giebink说,这种混合材料是太阳能光伏器件效率急速上升的主要原因。
钙钛矿是具有类似立方晶体结构的一种常见矿物质之一。说来有些矛盾,这些混合钙钛矿材料在太阳能电池中效果良好的原因之一就是因为它们是很好的发光体。出于这个原因,他们也有兴趣在LED和激光中使用。Giebink和他的同事正在研究的材料是由无机钙钛矿亚晶格组成,中间有较大的有机分子。
“最终目标是制备一个电驱动的钙钛矿激光二极管。这将使游戏规则发生改变,“他说。“通过光泵浦使钙钛矿材料发出激光是相当容易的,也就是说,用另一束激光照射它。然而,由于我们对被称为‘激光消亡’的现象了解很少,所以它仅能产生非常短的脉冲。对于最终的电驱动器件,让它能够持续下去是非常重要的一步。在最近的研究中我们发现了一个现象,我们完全可以避免‘激光消亡’现象的发生,只要降低材料的温度来诱导部分相变即可。”
在11月20日发表于杂志“ Nature Photonics ”上的一篇文章中,Giebink及其同事第一次报道了“有机-无机卤化铅钙钛矿半导体中的连续波发射激光”。
“当温度降低到相变温度以下,我们惊奇地发现,该材料最初在低温相发射光,但随后在100个纳秒内转变开始从高温相发光并持续超过一个小时, “Giebink实验室的研究生,“Nature Photonics”上论文的主要作者,贾玉飞说。“事实证明,随着材料的升温,虽然大部分材料仍处于低温相,但也形成了小部分的高温相,而这正是发射激光的地方。”
在一部分无机激光器中,有一些被称为量子阱的狭窄区域,当电子和空穴落入陷阱中时载流子就会被捕获。激光的强度取决于量子阱捕获的载流子的数量。在钙钛矿材料中,低温块夹杂着高温相,其排列类似于这些量子阱,并且可能会在产生连续激光中发挥重大作用。
Giebink说:“目前还没有做出解释,这可能是一些更微妙的东西。”
尽管如此,这些结果确实意味着有机会设计出一种具有这种混合相结构的内嵌材料,而不必将材料冷却到低温。当前的论文对如何设计这些材料给出了一些想法。接下来的一大步工作是从具有外部激光器的光泵浦转换到钙钛矿激光二极管,该二极管可以直接用电流供电。
Giebink说:“如果我们能够解决这个电泵浦问题,钙钛矿激光器就可以变成真正具有商业价值的技术。”
来源:https://phys.org/news/2017-11-curious-quirk-diode-lasers-closer.html
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