有机、钙钛矿激光材料与器件研究及性能优化

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有机半导体激光材料凭借其价格低,激光阈值低,制备工艺简单,以及发射波长可调谐等优点引起了学术界和工业界的广泛关注。目前,光泵浦有机激光器的研究已经趋于成熟,但电泵浦有机激光器依然是激光研究领域当前亟待解决的难题,实现电泵浦有机激光面临的主要挑战是有机半导体材料的低载流子迁移率、三线态激子积聚和器件结构中不可避免的对光子的各种损耗因素。为解决这一难题,当前行之有效的办法是开发新型低阈值有机激光材料、对已开发的有机激光材料进行光学增益的优化或筛选载流子迁移率较高的有机发光材料、并优化其光学增益性能。本文按照此思路开展了如下的研究工作:(1)开发PSF-Cz和PSF-Ph两种聚硅杂芴系蓝光有机激光材料。系统研究了这两个有机材料薄膜器件的光物理特性和光增益特性,包括吸收光谱、荧光光谱、放大自发辐射(ASE)阈值以及光学净增益和损耗。利用一维二级分布反馈(DFB)光栅结构实现了PSF-Cz为增益材料的性能蓝光DFB激光器件,优化后的激光器件在出光波长448.4 nm处获得0.169?J/cm2的低阈值和4.2%的输出效率。最后基于F?rster能量传递的基本理论,采用主客体掺杂的方法,将F8BT客体掺入PSF-Ph主体,形成PSF-Ph-F8BT共混薄膜体系,实现了对F8BT薄膜器件光学增益特性的优化。同时,系统分析了共混比例对PSF-Ph-F8BT共混薄膜的光物理特性和光学增益特性的影响。(2)将原本不具备激光行为的PCDTBT掺入到聚合物F8BT主题中,在共混薄膜体系F8BT-PCDTBT观察到发光在710 nm的近红外区域的低阈值(21?J/cm2)ASE特性,并系统研究了主客体掺杂比例对F8BT-PCDTBT光学增益性能的影响。利用Pump-Probe技术测试共混样品的瞬态吸收光谱,进一步分析共混体系的发光机理。使用纳米压印技术制造柔性的一维DFB光栅结构,将共混溶液沉积在此衬底上实现了低阈值近红外的激光器件,表征共混材料的激光特性。再通过一系列的光学表征确定最佳共混比例。进而通过将另一种红光聚合物P3HT引入这一共混体系,实现了红光到近红外(IR)光学窗口(650 nm710 nm)60 nm的ASE波长调节。(3)将新型太阳能电池材料CH3NH3PbI3通过两步法沉积在透明衬底上,制备成薄膜器件,表征其放大自发辐射特性,确定其光增益特性。同时还探究了基底类型、旋涂工艺以及泵浦光束的波长对CH3NH3PbI3薄膜器件ASE阈值的影响。最后通过掺入PbBr2制备混卤钙钛矿薄膜,通过调节碘元素与溴元素的比例,实现近红外范围内约140 nm宽度的波长调节。
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