本文來自微信公眾號：X-MOLNews

有機微納鐳射材料具有高增益、易溶液加工和寬譜可調等優點，已經在鐳射顯示、光子面板和光子學通訊等方面顯示出巨大的應用潛力。作為有機固態鐳射邁向實際應用的關鍵，電驅動有機微納鐳射器雖然受到人們的廣泛關注，但仍未能夠實現。其關鍵的瓶頸問題之一是三重態激子累積引起的吸收損耗和單重態激子湮滅。近日，中國科學院化學研究所的趙永生研究員團隊實現了三重態促進的有機微納鐳射出射，為解決電驅動鐳射中的三重態損耗問題提供瞭解決思路，在此基礎上構築了微鐳射陣列，展示了材料在鐳射顯示技術中的應用。

熱啟用延遲熒光（TADF）材料中的反向系間竄越（RISC）過程可以在熱激勵下將三重態激子轉變成單重態激子用於發光，有望克服三重態引起的光損耗，從而推動有機電驅動鐳射器的發展。具有規則外觀形貌的TADF微晶結構自身可以作為光學諧振腔，是發展有機電驅動鐳射器的理想材料之一。然而TADF單晶結構中強的π-π相互作用會嚴重抑制RICS過程，降低三重態到單重態的轉化效率，從而限制了三重態激子在受激輻射過程中的利用效率。

圖1. 共組裝晶體的構築及三重態促進的熱活化鐳射效能

為了解決上述存在的問題，研究團隊提出一種溶液共組裝策略，將高增益的TADF材料引入到CBP分子晶體中，抑制了聚集導致的RISC過程失活，基於此實現了三重態促進的有機鐳射器，獨特的熱活化鐳射現象證明了三重態激子對受激輻射過程的貢獻。研究者篩選出發光效能優異且具有快速RISC過程的TADF分子（圖1），將其引入到易於結晶的基質中構築得到高品質的光學諧振腔。TADF分子在晶體基質中實現了均勻分散，從而最大程度的保留材料自身高效的RISC過程。在光泵浦的條件下，構建的微晶能夠實現鐳射出射，並表現出獨特的熱活化鐳射現象（鐳射強度隨溫度升高而增大）。這種機制成功地將原本引起損耗的三重態激子用於促進單重態鐳射輻射，真正實現了變廢為寶，為電泵浦鐳射的構築提供了一條新思路。

圖2. 三基色鐳射陣列的構築及鐳射顯示功能演示

得益於基質材料優異的相容性和溶液可加工性，研究人員開發了模板限域、定點生長的方法將高增益的紅綠藍TADF材料分散到同一晶體基質中，得到畫素化的三基色鐳射陣列（圖2）。每個畫素點都可以實現穩定的鐳射出射。基於出射鐳射半峰寬窄、色純度高的特點，團隊利用微鐳射器陣列作為顯示面板，透過連續光束掃描達到了鐳射顯示的效果。

這一成果近期發表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是中科院化學研究所的博士研究生張同金，閆永麗研究員和趙永生研究員為文章的共同通訊作者。

Thermally Activated Lasing in Organic Microcrystals toward Laser Displays

Tongjin Zhang, Zhonghao Zhou, Xiaolong Liu, Kang Wang, Yuqing Fan, Chuang Zhang, Jiannian Yao, Yongli Yan*, and Yong Sheng Zhao*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c08824

導師簡介

趙永生，中國科學院化學研究所研究員、博士生導師。國家傑出青年基金獲得者，國家萬人計劃領軍人才，先後獲國家自然科學二等獎（第二完成人）、何梁何利基金科學與技術創新獎、北京市傑出青年中關村獎、中國青年科技獎、中國科學院傑出科技成就獎（集體獎突出貢獻者）、Asian and Oceanian Photochemistry Association Prize for Young Scientist、ChemComm Emerging Investigator Lectureship等。長期從事有機奈米光子學領域的研究，在CCS Chemistry、SCIENCE CHINA Chemistry、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊發表論文200餘篇，引用9400餘次。申請/授權中國專利30餘項，主編專著1部，撰寫合著3章。

更多內容可以參考課題組主頁：

http://yszhao.iccas.ac.cn

趙永生

https://www.x-mol.com/university/faculty/148550

閆永麗，中國科學院化學研究所研究員、博士生導師。先後獲國家優秀青年科學基金、北京市自然科學基金傑出青年科學基金資助。圍繞有機材料的光子學特異性，在激發態物理化學、光子行為調控及柔性整合器件等基礎和應用研究方面取得系列創新成果。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上發表論文90餘篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/215044